Появившись ещё в XX веке, лазеры изменили многое — проникнув в сферы как от обработки материалов, так и до высокоскоростной передачи информации. 

С момента их появления было разработано множество излучателей лазерного света, где, пожалуй, особняком стоит один из весьма любопытных вариантов, с генерацией лазерного излучения нагретым газом, где интересен не сам этот факт, а скорее, интересный общий принцип генерации такого излучения и принципиальная схема физического устройства для этого… 

Далее в статье будет рассматриваться работа с достаточно опасными физическими явлениями и устройствами. Автор статьи ни к чему не призывает и ничего не гарантирует. Вся информация статьи даётся исключительно в познавательных целях.

Любое вещество характеризуется, вне зависимости от агрегатного состояния (твёрдое, жидкое или газообразное), определённым движением молекул, атомов, электронов, которое, в частности, может вызывать переходы электронов на разные уровни (а также возврат на предыдущий уровень, с испусканием фотона света, при прекращении притока энергии). 

В целом, если обобщённо (если не вдаваться в конкретные механизмы конкретного случая), то можно сказать, что приток внешней энергии приводит к переходу системы в возбуждённое состояние. 

При этом условно можно обозначить состояние (если не вдаваться в тонкости, так как там могут быть подуровни) некоторой системы как «основное» и «возбуждённое», что и показано на картинке ниже:

На картинке выше показана классическая лазерная система, наполненная рабочей возбуждаемой средой, помещённой между двумя зеркалами — слева и справа. 

В качестве средства возбуждения используется внешний свет накачки. 

Она несколько отличается от того, что мы будем рассматривать далее, однако, так как принципы весьма похожи, рассмотрим на этом примере.

Как видно, на картинке а показана некоторая система, где её частицы могут находиться в основном (белые кружочки) и возбуждённом (чёрные кружочки) состоянии, и, даже в основном состоянии, показанном на картинке а, некоторое количество элементов системы возбуждено. 

Теперь, если перейти к картинке б, где показан приток внешней энергии, мы видим, что достаточно значительное количество компонентов системы переходит в возбуждённое (чёрные кружочки) состояние.

Насколько я понимаю, такое состояние, где большинство компонентов системы находится в возбуждённом состоянии, а компонентов в невозбуждённом состоянии меньше, обычно называется «инверсией населённости».

Так как такое состояние системы (особенно, когда прекратился внешний приток энергии или изменились условия — что можно, насколько я понимаю, трактовать равнозначно) не является её нормальным состоянием, система стремится сбросить лишнюю энергию и вернуться в «основное» состояние — именно это и показано на картинках в, г, д, е. 

Как видим, на начальном этапе, показанном на картинке в, по причине того, что не все компоненты системы могут существовать при такой возбуждённости, некоторые из них начинают спонтанно сбрасывать энергию, излучая фотон света. 

Так как свет движется весьма быстро, а рабочая среда находится между двумя зеркалами, фотон света успевает многократно пересечь (туда-сюда) рабочую среду, где каждый раз при пролёте мимо частицы системы он выбивает из равновесия её и всё новые частицы (при каждом проходе), вызывая, таким образом, лавинообразное возникновение излучения — как показано на картинках г, д, е. 

В результате чего, в конце концов, достаточно мощное излучение выходит из одного из зеркал, которое является полупрозрачным (картинка е).

При этом, я для себя отметил здесь интересный момент касательно того, как в классических формулировках о принципах работы лазеров говорится насчёт наиболее оптимального вызова вот этого лавинообразного излучения (насколько я её понимаю, это обобщённая формулировка касательно лазеров с оптической накачкой и, в случае нашего рассматриваемого варианта, может требовать корректировки; тем не менее, любопытно!):

Все описанные процессы для одного из типов лазера, например, с лампой накачки, могут вызываться в рамках следующей принципиальной схемы (но не ограничиваясь только ей) построения конструкции:

Как видим, она представляет собой лампу накачки («источник возбуждения»), переводящую активное вещество в состояние возбуждения — как за счёт прямого излучения, так и отражённого от рефлектора. 

Ознакомившись бегло с некоторыми общими принципами построения лазерной системы (на примере системы со световой накачкой), кажется, что следующий класс устройств, который и является предметом нашего рассмотрения, не сможет ничем удивить, так как «мы уже, в общем то, всё знаем». 

Тем не менее аппараты подобного рода настолько примечательны и сильно отличаются от обычных лазерных систем, что, наверняка, в них найдётся много чего, что могло бы удивить даже искушённого читателя… ;-) 

Начнём хотя бы с того, что это аппараты, позволяющие напрямую преобразовывать тепловую энергию системы в когерентное лазерное излучение! О_о 

Также подобный класс лазеров считается одним из самых мощных (причём, не в импульсе, а непрерывного излучения!), ввиду чего в прошлом (а, возможно, и в нынешнем?) рассматривался для применения в военных целях (как минимум, в США), когда впервые появился в 1960-х годах — и получил название «газодинамические лазеры» (далее сокращённо — ГДЛ), где даже само название уже намекает на то, что источником лазерного излучения являются «некие движущиеся» потоки газов.

Суть принципа действия подобных устройств заключается примерно в следующем (дальше — как я это понимаю; если у вас будет желание разобраться самостоятельно, в конце статьи есть названия источников литературы, и вы можете их почитать самостоятельно): система (рабочее вещество, например, смесь газов (N2+CO2) и воды) возбуждается с помощью нагрева, в результате чего увеличивается её тепловое движение частиц, где у одних компонентов (например, N2) это движение может сохраняться относительно долго, даже при перемене окружающих условий на относительно неблагоприятные (т. е. говорят, что азот обладает «относительно большим временем колебательной релаксации»), в то время как у других (например, у CO2) такое время сохранения теплового движения относительно мало, и CO2 стремится избавиться от лишней энергии, излучив её, в том числе, в виде порции света. 

Для создания ещё большей «нестабильности» к смеси двух газов (N2+CO2) добавляют пары воды — насколько я понимаю (хотя об этом в явной форме не пишут), с целью быстрого охлаждения СО2 — то есть, насколько можно судить по литературе, там зависимость следующая: чем более возбуждена система и чем быстрее она сможет «релаксировать» — то есть избавиться от лишней энергии с помощью её излучения — тем большую выходную мощность можно получить. 

То есть, для улучшения понимания, можно сказать примерно так: «большая мощность — это сильно нагреть и быстро охладить». 

Теперь, когда всё готово к излучению — смесь из N2+CO2 и воды как можно более резко должна попасть в «неблагоприятные» условия — где компоненты системы не могут существовать в возбуждённом состоянии и будут стремиться за самое минимальное время сбросить энергию. 

До попадания в эти условия N2 служит своего рода как бы «батарейкой», не давая раньше времени разрядиться CO2 и поддерживая его молекулы в колеблющемся состоянии — однако после попадания в неблагоприятные условия N2 уже не может удерживать и CO2 «срывается во все тяжкие»… :-)

Это была в сжатом виде сама суть, а теперь — посмотрим более детально на сопутствующие моменты… 

И, наверняка, вас интересует и самый главный момент, описания которого я умышленно избегал выше :-) — а каким же образом создать эти «неблагоприятные условия»? 

И здесь вступает в дело очень интересная штука — газодинамический лазер по своему принципу, в некотором роде, похож на реактивный двигатель: перегретые газы вырываются из сверхзвукового сопла, отличающегося большим расширением и малым проходным сечением (0,3..1 мм), вследствие чего испытывают резкое расширение и понижение температуры, а само сопло должно быть достаточно коротким, чтобы во время движения через него N2 успел сохранить энергетику потока и CO2 разрядился только там, где нужно, а не раньше времени:

Соответственно, вот это резкое расширение раскалённых газов и является способом создания той самой неблагоприятной среды, где, в определённом месте происходит расширение газов и сброс энергии в виде лазерного излучения. 

Схематически подобное устройство обычно изображают следующим образом, где слева показан вариант с открытым контуром (газы выбрасываются прямо в атмосферу), а справа — с замкнутым контуром (газы замкнуто циркулируют в системе) — картинка кликабельна:

Как можно видеть, каждый из вариантов содержит массив сопел, позволяющих обеспечить (в отличие от единого сопла, с малым проходным сечением) и большой поток, и охлаждение одновременно.

В литературе отмечается, что пары воды являются довольно неплохим заменителем гелия (который тоже может использоваться в качестве третьего компонента, и это можно будет видеть по картинкам ниже) — как минимум, для системы открытой компоновки, где происходит выброс в атмосферу, а соответственно, и постоянная утеря смеси (проще говоря, воду не жалко терять, в отличие от гелия)…

Интересно, что в качестве источников тепла для нагрева смеси может быть использовано большое количество вариантов (вплоть до импульсного испарения проволочки под напряжением) — где среди всех, лично для меня, наиболее привлекательным показался плазмотрон — ниже как раз и показана некоторая подборка видов подогрева для непрерывного действия (хотя в литературе рассматривается и большое количество импульсных генераторов; однако ввиду их специфичности и малой применимости, я не стал их здесь приводить):

Кстати, «на подумать»: что вам приходит в голову, когда вы слышите или читаете слово «плазмотрон»? Что-то из области далёкой физики, недоступное «простым смертным», не так ли? 

А я же вижу дешёвый источник плазмы, который распространился в последние десятилетия… ;-) 

Что у нас является самым доступным и дешёвым плазмотроном, позволяющим разогревать до огромных температур газ и генерировать его мощный поток, а сам аппарат реально купить где угодно? 

Плазморез! Недорогой аппарат, не сильно дороже сварочного аппарата — и есть во многих магазинах! 

Вкратце, если кто-то не в курсе, что это такое: зажигается дуга и сквозь неё продувается сжатый воздух, приобретающий в итоге температуру в тысячи градусов и легко разрезающий струёй этого плазмированного воздуха листы металла в 10 см толщиной (и это не предел). 

Просто к размышлению… :-)

Ниже мы можем видеть множество вариантов конструкции плазмотронов, где струя газа продувается сквозь плазмотрон как вдоль:

так и поперёк:

И, кроме того, можно увидеть некоторые конструкции ВЧ-плазмотронов и переменного тока промышленной частоты:

Я понимаю, что вам, наверняка, было бы интересно узнать о конструкции отражающих и полупрозрачных зеркал (а также их материалах изготовления) — однако в литературе на сей счёт нет лаконичного мнения и приводятся обширные таблицы потенциально возможных материалов (для разной длины излучаемой волны), которые будет не совсем удобно цитировать здесь — поэтому за этим лучше обратиться к литературе (таблицы есть в источниках ниже статьи).

Ну и самое интересное — каких мощностей можно добиться: на этот счёт имеется довольно разрозненная информация, однако, если говорить о том, чему в какой-то мере можно было бы верить, то мне удалось найти отчёт, детально описывающий условия эксперимента и достигнутые результаты: там описывается N2-CO2-H2O (уже знакомая нам комбинация) лазер с непрерывной выходной мощностью в 2 кВт! (Оригинал отчёта можно найти здесь). 

Как можно видеть, было протестировано большое количество комбинаций, где давление рабочей среды (т. е. газов) находилось в пределах 2..16 атмосфер, а её температура — в пределах примерно 500°C…1927°C*

*К слову: тот же самый плазморез многократно превышает эту требуемую температуру и может выдавать вплоть до 30000°С! ;-)

И, кстати говоря, если мы обратимся к отчёту, ссылку на который я привёл выше, то там говорится и о конструкции зеркал — медные, с золотым покрытием, обеспечивающие коэффициент отражения 0,95–0,98 (читать отсюда: «The cavity mirrors were copper coated with gold…»).

На заметку: золотое напыление вообще не проблема — делается даже в простейшей самодельной (или недорогой, покупной) вакуумной камере (в сети множество видео на эту тему).

Читая дальше упомянутый выше отчёт, мы можем узнать и ещё некоторые любопытные подробности:

«The laser consisted of a Linde N-4001 electric-arc heater, a mixing chamber and reservoir, an array of 24 Mach number 4 nozzles of 1 mm throat height, and a semiconfocal cavity 3.61 cm high, 20 cm long, and 30 cm wide.» ­— то бишь, они вели подогрев газа дугой, было установлено 24 расширительных сопла, проходным сечением в 1 мм (укладывается в то, что мы разбирали ранее), создающие сверхзвуковой поток газа (знатно шумная, должно быть штука!) в 4 Мах-а, расстояние между зеркалами — 30 см, длина зоны генерации — 20 см, диаметр зеркал ­­— 3,61 см (зеркала, как мы узнали ранее — медные, с золотым напылением). 

И там же, далее, мы видим и совсем интересную вещь: «The spherical mirror had a 10 m radius and the flat output mirror had 82 holes of 2 mm diam spaced equally in four rows» — то есть, похоже, что одно зеркало было немного сферическим (почти плоское, т. к. радиус скругления аж 10 метров), а второе, выходное, откуда выходит лазерный луч — совсем плоское, тоже медное, с золотым напылением и… 82 отверстиями в 2 мм каждое (в 4 ряда) в нём!

То есть — получается, что они для такой большой выходной мощности не использовали полупрозрачное зеркало, а применили просто банально дырявое зеркало, где конечный, общий лазерный луч образуется из массы мелких, выходя наружу через 82 отверстия, а остальной свет отражается обратно и работает на обеспечение генерации «лавины»! Интересное решение!

Да и, в целом, как видим, установка получается довольно компактной и…и «2 кВт выходной мощности — это таки 2 кВт выходной мощности, Карл!» (что заставляет задуматься)… :-) 

Литература:

1. Аблеков В. К., Денисов Ю. Н., Любченко Ф. Н.: Справочник по газодинамическим лазерам.

2. Б. Ф. Фёдоров: Лазеры — основы устройства и применение.

3. Gain and Power of CO2 Gasdynamic Lasers: AIAA JOURNAL, — George Lee, Forrest E. Gowen, and Jack R. Hagen (NASA Ames Research Center, Moffett Field, Calif).

© 2026 ООО «МТ ФИНАНС»