Молекулярные газовые лазеры

Атомарные и ионные лазеры имеют весьма малый коэффициент полезного действия. Это связано с тем, что верхний рабочий уровень высоко расположен над исходным состоянием, с которого идет возбуждение, поэтому в процессе создания инверсии населенностей принимает участие лишь малая доля общего числа электронов.

Для гелий-неонового лазера значение энергии электрона, необходимое для возбуждения гелия, около 20 эВ (см. рис. 19.2). Средняя энергия хаотического движения электронов (электронная температура) в разряде порядка 7…8 эВ, электронов с энергией выше 20 эВ в разряде не более 5…6%. Такого же порядка и эффективность использования энергии накачки. Подобная ситуация имеет место и в ионных лазерах. Кроме того, в указанных типах лазеров низка и эффективность использования энергетических уровней, которая определяется отношением энергии излучения (22_изл) на рабочем переходе к энергии возбуждения (?_возб). Для гелий-неонового лазера отношение ?_изл/2?_возб «2/20 «0,1, т. е. в этих лазерах КПД не может быть более 10%. Сказанное означает, что с точки зрения повышения КПД газовых лазеров перспективным является использование низко расположенных энергетических уровней, например, вращательных и колебательных молекулярных уровней. В молекуле, состоящей из нескольких атомов, внутренняя энергия определяется не только энергией электронов каждого атома, но и энергией колебательного и вращательного движения атомов в целом около некоторого положения равновесия.

Рассмотрим молекулярный газовый лазер, работающий на смеси азота и углекислого газа. Схема нижних колебательных состояний молекул С0₂ и N2 представлена на рис. 19.6. Генерация возникает на переходах 4^>3к4—>2в молекуле С0₂. Отметим, что верхний рабочий уровень в молекуле С0₂ отстоит от основного состояния меньше чем на 0,35 эВ (для сравнения у неона примерно 20 эВ). Нижнее колебательное возбужденное состояние.

Рис. 19.6.

молекулы азота заселяется в разряде за счет рекомбинации молекулярного иона азота. Переход между этим и основным состояниями запрещен. Поэтому возбужденное состояние Ы₂ характеризуется большой заселенностью. При взаимодействии возбужденных молекул азота с молекулами С0₂, находящимися в основном состоянии, возможна передача возбуждения, ведущая к преимущественному заселению состояния 4. В результате возникает инверсия на переходах 4 —• 3 и 4 — 2. Рабочему переходу 4 — 3 соответствует длина волны 10,6 мкм. Опустошение нижнего лазерного уровня 2 или 3 происходит очень быстро вследствие колебательного и вращательного обмена, так что молекула попадает в нижнее колебательное состояние!, причем выравнивание заселенностей лазерных уровней 2 и 3 происходит в течение 10 ^Я…Ю ⁹ с. Опустошение колебательного состояния 1 происходит на несколько порядков медленнее, так что необходимы дополнительные компоненты в активной среде для достижения быстрого опустошения уровня 1 и тем самым поддержания инверсной населенности на необходимом уровне. Оптимальными компонентами являются гелий, водород и вода. Соответственно этому используется газовый разряд со смесью С0₂, И₂ и Не (отношение парциальных давлений Рсо₂ • ^: ^н* = 1 • 1 • 8). В лазерах же на чистой смеси С0₂—>1₂ рабочий объем заполняется смесью углекислого газа и азота в соотношении (15) при общем давлении порядка 1 мм рт. ст. Добавка гелия значительно увеличивает мощность генерации. К уменьшению инверсии населенностей приводит диссоциация молекул С0₂ (50…80% молекул распадается в течение 0,1… 1 с) с образованием молекул СО и повышением температуры газа, что приводит к более высокому тепловому заселению нижнего лазерного уровня и ускорению столкновительной релаксации верхнего лазерного уровня 4.

С0₂—К₂ лазер является одним из важнейших типов лазеров. С помощью С0₂-лазера достигается максимальная непрерывная мощность лазерного излучения. Его высокий КПД (больше 20%) превышает КПД почти всех других лазеров, за исключением полупроводниковых, существует несколько разновидностей С0₂-лазеров. К ним относятся: С0₂-лазеры с непрерывным возбуждением, импульсные С0₂-лазеры, ТЕ — лазер на С0₂ высокого давления, волноводный С0₂-лазер, газодинамический С0₂-лазер и ряд других. Наиболее мощным из перечисленных типов С0₂-лазеров являются газодинамические_у с помощью которых можно получать непрерывную генерацию с мощностью более 100 кВт. В этих лазерах инверсия населенностей образуется благодаря тому, что смесь газов (С0₂, Ы₂, Н₂0) с высокой температурой (~ 1500 К) и большим давлением (- 2 МПа) вытекает через сверхзвуковое сопло с высокой скоростью. Из-за того, что при истечении газодинамической струи происходит ее расширение и охлаждение, нижний лазерный уровень С0₂ релаксирует к состоянию с более низкой температурой существенно быстрее, чем верхний, поэтому в направлении потока образуется инверсия населенностей.

В дальней ИК области вплоть до миллиметрового диапазона длин волн используются колебательно-вращательные уровни таких молекул, как СН₃Вг, МН₃, Н₂0, Н₂8, 80₂, НСИ, СН₃Е, СН₃ОН и т. д. Когерентное излучение в УФ диапазоне длин волн можно получить в лазерах на Н₂, а также на атомах №, Аг, Кг, Хе, С1, Е, С, О, N и т. д., находящихся в различных ионизационных состояниях.