Klasycznym przykładem lasera molekularnego jest laser gazowy, pracujący na dwutlenku węgla. Molekuła CO2 jest liniowa; nie ma momentu dipolowego, posiada trzy rodzaje drgań oscylacyjnych - liniowe symetryczne (v1) deformacyjne poprzeczne (v2) i podłużne asymetryczne (v3). Drgania typu v2 są dwukrotnie zdegenerowane, ponieważ mogą zachodzić w dwóch, wzajemnie prostopadłych płaszczyznach. Drganiom symetrycznym v1 odpowiada przejście wzbronione, drganiom zginającym v2 przejście o λ = 15,6 mm, natomiast asymetrycznym v3 najsilniejsze o λ = 4,3 mm.
Wyładowanie elektryczne w mieszaninie CO2-N2 powoduje bardzo efektywne wzbudzenie molekuł N2. Ponieważ molekuła N2 ma jednakowe jądra, jej przejście dipolowe jest wzbronione i stąd - tylko w wyniku zderzeń - może ona utracić swą energię. Jeżeli w rurze znajdują się molekuły CO2, wówczas na skutek dobrej koincydencji poziomów wzbudzonych N2 i CO2 zderzenia drugiego rodzaju powodują wzbudzenie molekuły CO2 i powrót do stanu podstawowego molekuły N2. W ten sposób inwersję w mieszaninie osiąga się znacznie łatwiej niż w czystym CO2.
Laser molekularny na CO2 zawiera mieszaninę gazów CO2 i N2 bądź CO2, N2 i He, umieszczoną w rurze wyładowczej o długości około 100 cm i średnicy kilku cm. Główna linia emisyjna o długości fali 10,6 mm mogła opuścić rezonator optyczny przez otwór w zwierciadle metalowym albo poprzez zwierciadło wykonane z czystego germanu. Typowe napięcie zasilania rury wyładowczej wynosi od kilkuset do kilku kV, a prąd wyładowania około 50 mA. Zarówno wydajność jak i moc wiązki lasera molekularnego jest duża w porównaniu z laserami atomowymi lub jonowymi. Z jednego metra kolumny wyładowczej lasera molekularnego otrzymano wiązkę podczerwoną o mocy około 50 W i wydajności kilkunastu %.
W początkowym okresie rozwoju moc lasera zwiększano poprzez zwiększenie długości rury wyładowczej, niekiedy nawet do 100 m! Wielometrowy laser wytwarzał wiązkę o mocy kilku kW w pracy ciągłej. Wiązka o takiej mocy mogła stopić i zamienić w parę każdy materiał. Pewną trudność w stosowaniu tej wiązki lasera CO2 do cięcia materiałów stanowi jednak stosunkowo duży współczynnik odbicia energii wielu powierzchni w tym zakresie długości fal. Niepolerowana powierzchnia metaliczna odbija większość padającego nań promieniowania; stopieniu ulega natomiast węgiel, azbest itp.
Moc wiązki lasera można istotnie zwiększyć, jeśli mieszanina gazów znajduje się w przepływie poprzecznym do wiązki lasera lub poprzez zmianę sposobu wyładowania gazów w rurze wyładowczej lasera. Wyładowanie elektryczne w tym przypadku zachodzi pomiędzy długą elektrodą (anoda) i rzędem około 150 szpilek katody, które poprzez oporniki o wartości około 1 kΩ połączone są równolegle i zasilanie impulsowo z kondensatora 0,02 mF, naładowanego do 17kV.
Opracował: mgr Robert Jaworski