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窒素レーザーは、分子状窒素を利得媒体として使用し、放電によって励起される紫外線領域[ 1 ]（通常337.1 nm）で動作するガスレーザーです。
窒素レーザーの電力効率は低く、一般的には0.1%以下ですが、文献では最大3%の効率を持つ窒素レーザーが報告されています。電力効率は、以下の3つの効率の積で表されます。
利得媒体は気相中の窒素分子です。窒素レーザーは3準位レーザーです。一般的な4準位レーザーとは異なり、窒素の上準位レーザーは直接励起されるため、励起速度に制限はありません。励起は通常、電子の直接衝突によって行われます。電子は十分なエネルギーを持っていなければ、上準位レーザーを励起できません。一般的に報告されている最適値は、窒素ガスの圧力1 Torr・cmあたり80～100 eVの範囲です。
低圧下ではレーザー寿命の上限は40ナノ秒であり、圧力が上昇するにつれて寿命は短くなる。1気圧では寿命はわずか1～2ナノ秒である。一般的に
最も強い線は紫外域の波長 337.1 nmにあります。他の線は同じく紫外域の 357.6 nm で報告されています。この情報は、最も一般的な分子窒素の第二正系に関するものです。電子遷移によって原子間距離が変化しないため、2 つの窒素原子の振動は関与しません。光子の角運動量を伝えるには回転が変化する必要があり、さらに室温では複数の回転状態が占有されています。第一正系からは遠赤色と赤外線にも線があり、分子窒素正 (1+) イオンからは可視の青色レーザー線があります。
準安定な下準位の寿命は 40 μs であるため、レーザーは通常 20 ns 未満で自己終了します。このタイプの自己終了は、「下準位のボトルネック」と呼ばれることがあります。これは、他の多くのレーザーにも見られる経験則にすぎません。ヘリウムネオンレーザーも、1 つの減衰ステップでキャビティの壁を必要とするためボトルネックがあり、このレーザーは通常連続モードで動作します。上準位の寿命が 10 ns 未満のいくつかの有機色素が連続モードで使用されています。Nd :YAG レーザーは上準位の寿命が 230 μs ですが、100 ps のパルスもサポートしています。
適切なガス流量と構造の冷却が確保されていれば、繰り返し周波数は数kHzまで高めることが可能です。低温窒素は高温窒素よりも優れた媒体であり、これが繰り返し周波数が毎秒数パルスを超えるとパルスエネルギーと出力が低下する理由の一つと考えられます。また、レーザーチャネル内にイオンが残留することによる問題も存在するようです。
空気（窒素78％）は使用可能だが、酸素が0.5％以上含まれるとレーザーが劣化する。
窒素レーザーは共振器キャビティ内で動作できますが、20 mmごとに2の典型的なゲインがあるため、超放射のみで動作することがより一般的です。[ 3 ]ただし、出力が反対側の端から放射されるように、一方の端にミラーを配置するのが一般的です。
幅10 mmの利得体積の場合、利得媒体に沿って30 m経過すると回折が 顕著になりますが、これは前例のない長さです。そのため、このレーザーは凹レンズや再集束レンズを必要とせず、利得媒体に沿ってビーム品質が向上します。励起体積の高さは1 mm程度まで小さくなる可能性があり、0.3 m経過するとすでに再集束レンズが必要になります。簡単な解決策は、半径の大きい丸い電極を使用することで、二次関数的な励起プロファイルを得ることです。
利得媒体は通常、横方向の放電によって励起される。圧力が大気圧（またはそれ以上）の場合、この構成はTEAレーザーと呼ばれる（TEAはTransverse Electrical discharge in gas at Atmospheric pressureの頭文字をとった略語である）。
強い外部電場中では、この電子は電場線に沿って電子雪崩を起こします。緩衝ガス分子での電子の拡散と弾性散乱により、雪崩は電場に垂直な方向に広がります。非弾性散乱によって光子が生成され、数センチメートル離れた場所に新たな雪崩が発生します。しばらくすると、雪崩内の電荷が非常に大きくなり、クーロンの法則に従って外部電場と同程度の電場を生成します。電場強度が強い領域では、雪崩効果が増強されます。これにより、ストリーマーと呼ばれるアーク放電のような現象が発生します。希ガス（最大0.9）と窒素の混合ガスは、電子の増倍よりも弾性散乱を促進するため、雪崩とストリーマーの幅が広がります。
スパークギャップは、ストリーマーの発生を促進するために、高密度のガス分子と低密度の初期電子を利用します。電子は、ゆっくりと上昇する電圧によって除去されます。高密度のガスは絶縁破壊電界を増大させるため、より低いインダクタンスでより短いアークを使用でき、電極間の容量が増加します。ストリーマーの幅が広いほど、インダクタンスは低くなります。
ガスレーザーは、ストリーマーの発生を防ぐために、ガス分子の密度を低くし、初期電子の密度を高くする。電子は酸素によって除去されるのではなく、予備電離によって供給される。これは、ガスボンベから窒素が使用されるためである。広範囲にわたるアバランシェによって、より多くの窒素分子が励起される可能性がある。
非弾性散乱によって分子が加熱され、2回目の散乱で電子放出の確率が高まります。これがアーク放電につながります。通常、アーク放電は窒素中でレーザー発振後に発生します。スパークギャップ内のストリーマーは、イメージ電荷によってのみ電極を放電するため、ストリーマーが両方の電極に接触した時点でも、アーク放電に利用できる電荷の大部分が残っています。残りの電荷は分配板に蓄積されます。したがって、スパークギャップ内のアーク放電はレーザー発振前に始まります。
パルス状の雪崩放電の条件は、LevatterとLinによって説明されている。[ 4 ]
この電子回路は、スパークギャップ、コンデンサ、および窒素を介した放電から構成される回路である。まず、スパークギャップとコンデンサが充電される。次に、スパークギャップが放電し、窒素に電圧が印加される。
別の構成では、2 つのコンデンサをブルムライン発生器として接続します。[ 5 ] 2 つのコンデンサは、一方のプレートが共通のアースとなり、他のプレートがそれぞれスパークギャップ電極に接続されるように接続されます。これらのコンデンサは、多くの場合、単層のプリント基板、または銅箔と薄い誘電体の同様の積層体で構成されます。コンデンサは、単純な空隙コイルであるインダクタを介して接続されます。一方のコンデンサには、小さなスパークギャップも設けられています。HT が印加されると、2 つのコンデンサはゆっくりと充電され、実質的にインダクタによって接続されます。スパークギャップがトリガー電圧に達すると、放電してコンデンサの電圧を急速にゼロに下げます。放電が速いため、インダクタは開放回路として動作し、横方向のスパークギャップ (2 つのコンデンサ間) の電圧差が急速に上昇し、メインのスパークギャップが放電してレーザーが発射されます。[ 5 ]
どちらの回路の速度も2段階で向上します。まず、導体を短く太くし、回路を平らな長方形に圧縮することで、すべての部品のインダクタンスを低減します。全体のインダクタンスは、各部品のインダクタンスの合計です。
激しい放電によって、近くのオシロスコープが歪むことが報告されている。これを軽減するには、レーザーを接地された円筒形に左右対称に配置し、底部にスパークギャップ、上部にレーザー、左右にコンデンサ1、そしてコンデンサ2をコンデンサ1の上に重ねるという方法がある。この方法にはインダクタンスを低減できるという利点もある。しかし、レーザーチャネルのスパークを検査できなくなるという欠点もある。
第二に、伝送線路理論と導波管理論を適用して進行波励起を実現する。測定された窒素レーザーパルスは非常に長いため、第二段階は重要ではない。この分析から、次のことが導かれる。
パッシェンの法則によれば、火花ギャップの長さは圧力に反比例します。火花の長さと直径の比が一定の場合、インダクタンスは長さに比例します（出典）。（比較：ダイポールアンテナ）。そのため、スパークギャップの電極は誘電体スペーサーリングに接着または溶接されます。圧力による危険性を低減するため、体積は最小限に抑えられます。低圧下でスペーサーリングの外側で火花が発生するのを防ぐため、スペーサーは通常、S字型に外側に向かって厚くなります。
進行波理論に基づくスパークギャップとレーザーチャネルの接続：
ヘリウムの絶縁破壊電圧は低く、窒素は中程度、SF6は高い[ 6 ]が、 火花の厚さの変化については何も述べられていない。
スパークギャップでは、 8×10 10 A/sもの高立ち上がり時間が可能となる。 [ 7 ]これは、窒素レーザーで発生する典型的な立ち上がり時間 1×10 −8秒と典型的な電流 1×10 3 A によく一致する。
スパークギャップのカスケードでは、弱いトリガーパルスを使用して小さいギャップでストリーマーを開始し、それがアークに遷移するのを待ち、次にこのアークが大きなギャップに広がるのを待つことができます。[ 8 ]ただし、カスケードの最初のスパークギャップは開始するために自由電子を必要とするため、ジッターはかなり高くなります。
雪崩放電は、主に磁力線に沿って放電を急速に均質化します。最後のレーザーパルスから短い時間（10 ms未満）が経過すると、十分なイオンが残存するため、すべての雪崩放電が横方向にも重なり合います。低圧（100 kPa未満）では、最大電荷キャリア密度が低く、電磁気的に駆動される雪崩放電から火花放電への遷移が抑制されます。
他のケースでは、紫外線照射によって放電に垂直な方向に放電がゆっくりと均質化されます。これらは、2つの線状放電を1cm 間隔で並べて配置することでバランスが取れます。最初の放電はより小さなギャップで発生し、早く始まります。初期電子の数が少ないため、通常1mm 間隔のストリーマーが見られます。最初の放電の電極は誘電体で覆われているため、この放電は制限されます。そのため、電圧はさらに上昇し、2番目のギャップで雪崩放電が始まるまで上昇することができます。雪崩放電は非常に多く、重なり合ってすべての分子を励起します。
約11ナノ秒という時間スケールでは、紫外線発生、イオン化、電子捕獲は窒素レーザーパルスの持続時間とほぼ同じ速度領域にあるため、高速の電場を印加する必要がある。
上準位レーザーは11 eV以上の電子によって効率的に励起され、最適なエネルギーは15 eVです。ストリーマー内の電子温度は0.7 eVにしか達しません。ヘリウムはイオン化エネルギーが高く、振動励起がないため、温度が2.2 eVまで上昇します。電圧が高いほど温度が上昇します。電圧が高いほどパルス幅が短くなります。[ 9 ]
窒素レーザーのガス圧は数ミリバールから数バールまで変化します。空気は、純粋な窒素や窒素とヘリウムの混合ガスに比べて出力エネルギーが著しく低くなります。パルスエネルギーは1μJから約1mJまで変化し 、ピーク出力は1kWから3MWまで達成可能です。パルス幅は、窒素分圧1気圧では数百ピコ秒から、減圧時（通常数十トル）では約30ナノ秒まで変化しますが、半値全幅（FWHM ）パルス幅は6～8ナノ秒が一般的です。
横放電窒素レーザーは、そのシンプルな構造とガスの取り扱いの容易さから、アマチュアの自作工作に長年人気を博してきた。 1974年にサイエンティフィック・アメリカン誌で、最初のレーザー自作工作記事の1つとして紹介された。[ 5 ]この空気レーザーには共振器がないため、厳密にはレーザーではなく、増幅誘導放出（ASE）を利用している。
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