Главная особенность химических лазеров состоит в том, что в них происходит прямое преобразование энергии, выделяющейся в процессе химической реакции, в энергию когерентного излучения. Этим они отличаются от других лазеров, например, газовых, в которых химические реакции, хотя и играют существенную роль в процессе накачки, однако являются лишь вспомогательным звеном, так как энергия черпается из других источников не химического происхождения.

Внимание к химическим лазерам не случайно. Объясняется это тем, что химическая энергия является одним из самых дешевых видов энергии, используемых в настоящее время для накачки лазеров. Химические лазеры позволяют сконцентрировать в единице объема рабочего вещества большое количество энергии, и, кроме того, их спектр необычайно широк (охватывает область от 1,3 до 26 мкм).

Идея химического лазера впервые была выдвинута и обоснована в 1960 г. канадским химиком Дж. Полани. В 60-е гг. начались интенсивные поиски путей создания лазеров с химической накачкой. В 1965 г. Дж. Каспером и Г. Пименталем был создан первый химический лазер на смеси водорода и хлора (НС1). Но КПД лазера оказался чрезвычайно мал, не более 10 3...10-4 %. Со временем стало ясно, что КПД можно повысить, если создать такие условия, чтобы реакция протекала с большой скоростью и вместе с тем смесь успевала до начала реакции заполнить весь объем оптического резонатора. Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют разветвленные цепные реакции. Лазер на основе разветвленной химической реакции молекулярных фтора и водорода (НF) впервые был запущен в Институте химической физики под руководством В. Л. Тальрозе в начале 1969 г.

Механизм реакции в НF лазере протекает по следующей схеме: Н2 + F2→F + НР + Н; F + Н2→НF + Н; Н+F2→HF+F.

 В начале реакции происходит зарождение атомов фтора. Вступая во взаимодействие с водородом, они вызывают цепную реакцию, в ходе которой образуются  возбужденные молекулы НF. При переелходе в устойчивое состояние молекулы НF выделяют энергию в спектральном диапазоне 2,6...3,3 мкм.

Работают НF лазеры как в непрерывном, так и в импульсном режимах. Мощность их непрерывного излучения достигает 10 кВт, а энергия в импульсе — до нескольких килоджоулей при КПД около   10 %.

Несмотря на общность механизма реакции, импульсные и непрерывные лазеры работают по-разному. В лазерах импульсного действия инициирование реакции Н2+F2 достигается исключительно за счет внешнего воздействия, например, в результате бомбардировки молекул фтора быстрыми электронами, поступающими из ускорителя. Обладая высокой проникающей способностью, электроны однородно возбуждают большой объем активной среды. В некоторых лазерах разложение фтора осуществляется путем воздействия на смесь световых импульсов или электрического разряда. Развитие химических лазеров непрерывного действия идет, в основном, по двум направлениям: создания лазеров с тепловым инициированием реакции и разработки чисто химических лазеров с использованием вспомогательного реагента.

В лазерах с тепловым инициированием реакции необходимый для поджига химически активный атомарный фтор получают при термической диссоциации молекул F2 в плазмотронном нагревателе.  Горячий поток атомарного фтора, пройдя через сопло, приобретает сверхзвуковую скорость (до 10ˆ3 м/с), охлаждается и после смешивания с водородом поступает в объем оптического резонатора. Здесь в результате цепной реакции образуются возбужденные молекулы фтористого водорода, которые дают непрерывное излучение. Высокая скорость прокачки, глубокое перемешивание газовой смеси повышают КПД лазера.

В чисто химических лазерах полностью отказались от использования внешних источников энергии. Атомы фтора порождаются при реакции молекул фтора и водорода в присутствии вспомогательного реагента, например N0.

Наряду с этим генерацию удалось получить также на смеси дейтерия с фтором (Д2+F2). Работает ДF лазер по той же схеме, что и НF лазер, генерируя излучение в спектральном диапазоне 3,5...5 мкм, который соответствует окну прозрачности атмосферы. Поэтому ДF лазер может оказаться полезным, например, при дальнометрировании. Однако энергия ДF лазеров в 2...2,5 раза меньше энергии НF лазера.

Дальнейшим шагом в развитии химических лазеров явилось использование смеси Д2+F2+С02. Принцип работы такого лазера заключается в следующем. Цепная химическая реакция Д2 с F2 приводит к образованию возбужденных молекул ДF. Они отдают свою энергию молекулам С02, которые становятся источником энергии излучения с длиной волны 10,6 мкм.

Возникает вопрос: с какой целью передается энергия молекулам СО2, если молекулы ДF могут излучать ее сами? Другими словами, если не брать во внимание длину волны излучения, в чем состоит основное различие лазеров на смесях Д2 + F2 и Д2+F2+С02? ДF—С02 лазер обладает более длинной лазерной цепью, поэтому его квантовый выход выше. За счет введения С02 энергия излучения увеличивается более чем в 10 раз, а КПД достигает 12 %. Подобно НF- и ДF лазерам, ДF—С02 лазеры работают как в импульсном, так и в непрерывном режиме. Импульсные ДF—С02 лазеры более эффективны при невысоких уровнях инициирования. С ростом уровня инициирования, когда скорость реакции возрастает, происходит сильный нагрев смеси. Это ведет к сокращению времени гашения возбуждения молекул ДF, поэтому они уже не успевают передавать свою энергию молекулам С02. В результате часть энергии бесполезно теряется. В таких случаях предпочтительнее ДF лазер.

Среди ДF—С02 лазеров непрерывного действия следует различать дозвуковые лазеры — со скоростью прокачки потока 200...400 м/с и сверхзвуковые. Для поджига реакции в дозвуковом лазере фтор предварительно смешивают с окисью азота. В результате их взаимодействия образуется атомарный фтор, который служит активным центром, начинающим лазерно-химическую цепь в смеси Д2 + F2 + С02. Мощность дозвуковых лазеров составляет 160—500 Вт. Переход к сверхзвуковым скоростям прокачки смеси позволяет без заметного снижения КПД получать мощность излучения (до 10 кВт), в десятки раз превышающую мощность дозвуковых лазеров.

Существование цепной реакции, в принципе, возможно также в смесях фторида йода с водородом и фторида хлора с водородом. Однако на практике эти реакции не получили широкого применения.

В настоящее время часто говорят об эре «водородной энергетики», которую связывают с проблемой создания химического лазера, работающего на реакции водорода с кислородом. Привлекает возможность прямого преобразования термоядерной энергии в химическую, а затем в когерентное излучение.