Углекислотный ла́зер , лазер на углекислом газе (CO ₂ -лазер) — один из первых типов газовых лазеров (изобретён в 1964 году ). На начало XXI века — один из самых мощных лазеров с непрерывным излучением до 80 кВт в непрерывном режиме и до сотен МВт в импульсном режиме с модуляцией добротности . Имеет КПД, достигающим 15—20 % . Углекислотные лазеры излучают в инфракрасном диапазоне , с длиной волны от 9,4 до 10,6 мкм .

Углекислотный лазер используется для гравировки резины и пластика , резки органического стекла и металлов, сварки металлов, в том числе металлов с очень высокой теплопроводностью, таких как алюминий и латунь .

Устройство лазера

Активной средой углекислотных лазеров является газообразная смесь CO ₂ , азота (N ₂ ), гелия (He). Иногда в смесь также добавляется водород (H ₂ ) или ксенон (Xe). Примеси необходимы для снижения потенциала зажигания газа в лазере, обеспечения т. н. эффекта Пеннинга . Соотношение концентраций газов в смеси зависит от его конкретной реализации, но концентрации CO ₂ и N ₂ в смеси обычно составляют 5—20 %.

Инверсия населённостей возбуждённых молекул CO ₂ достигается с помощью газового разряда , причём сначала возбуждаются колебания молекул азота, затем при столкновении возбуждённых молекул азота с молекулами CO ₂ часть их колебательной энергии передаётся молекулам CO ₂ . Дальнейшее понижение инверсии газа в активной среде производится гелием, а стенки трубки, в которую заключена активная среда, принудительно охлаждается газом или водой (в мощных лазерах).

Так как эти лазеры генерируют ИК-излучение, для изготовления их оптических элементов используются специальные материалы. Зеркала резонатора Фабри-Перо обычно имеют серебряное напыление, а линзы и окна изготавливают из монокристаллов германия или селенида цинка — материалов, хорошо прозрачных для инфракрасного излучения в рабочем диапазоне длин волн. В мощных лазерах предпочтительнее использование позолоченных зеркал и селенида цинка для прозрачных оптических элементов. Иногда применяют весьма дорогие алмазные окна и линзы. В ранних CO ₂ -лазерах использовались линзы и окна, изготовленные из монокристаллов хлоридов щелочных металлов ( NaCl , KCl ), также хорошо прозрачных для инфракрасного излучения.

Применение

Одно из основных применений углекислотного лазера связано с военными технологиями и использованием его в лазерных дальномерах прицелов. Очень большая длина волны в дальнем инфракрасном спектре не позволяет его обнаружить обычными датчиками лазерного облучения, не имеющими системы охлаждения и необходимых чувствительных элементов. Также в дальнем инфракрасном диапазоне на луч лазера меньше влияние тумана и дыма .

Примечания