3. Описание основных физических процессов в лазере и его особенностей.

СО₂-лазеры, работающие в непрерывном режиме, обладают рекордными уровнями мощности излучения при КПД в десятки процентов: в отпаянных лазерах мощность излучения составляет единицы–десятки ватт; в лазерах с прокачкой активной газовой смеси – единицы – десятки киловатт.

Активной средой СО₂-лазеров является, как правило, тройная смесь газов, включающая углекислый газ, азот и гелий в соотношении 1 : 1 ... 2 : : 5 ... 10 при общем давлении порядка 10 ... 20 кПа. Излучающей частицей является линейная симметричная молекула углекислого газа. Азот выполняет роль буферного газа, гелий – вспомогательного. Инверсия в СО₂-лазере создается при помощи электрического разряда. Чтобы луч усилился в высокой степени, он должен пройти в активной среде большой путь. Для этого ее помещают в резонатор. Самый простой резонатор - это два плоских зеркала, от которых случайно зарожденный луч отражается многократно. Одно из зеркал - полностью отражающее ("глухое"), другое - полупрозрачное, чтобы выпускать излучение. Эти общие принципы почти в первозданном виде воплощены в простейшей конструкции СО₂-лазера для небольших мощностей, примерно до 100 Вт.

В СО₂-лазере используется переход между двумя колебательными (точнее, колебательно-вращательными) уровнями основного электронного состояния молекулы СО₂ (рис. 1). Изменение энергии между электронными уровнями при излучательном квантовом переходе возбужденной частицы, составляет 1…2 эВ, между колебательными 0,1…0,01 эВ и между вращательными 0,001…0,0001 эВ. Это, в свою очередь, определяет длину волны излучения (l). Молекула СО₂ является трехатомной. Здесь существует три невырожденные колебательных моды 1)   - симметричная валентная мода, 2)   - деформационная мода и 3)   – асиметричная валентная мода. Поэтому колебания молекулы описываются тремя квантовыми числами n_1, n_2, n₃ , которые определяют число квантов в каждой колебательной моде. Соответствующий уровень обозначается этими тремя квантовыми числами, записываемыми в последовательности n_1, n_2, n₃ . Деформационное колебание представляет собой определенную комбинацию двух колебаний, происходящих во взаимноперпендикулярных плоскостях, что и описывает верхний индекс, стоящий при квантовом числе который представляет собой угловой момент   этих колебаний относительно оси молекулы СО₂.

В качестве верхнего лазерного уровня удобно использовать метастабильный уровень 00°1 с энергией 0,29 эВ, легко возбуждаемый низкоэнергетическими электронами плазмы. В качестве нижних энергетических уровней можно применять короткоживущие уровни 100 и 020 с энергией 0,16 эВ. Эффективность работы СО₂ лазера повышается при добавлении молекул азота N₂, у которых энергия одного из колебательных уровней практически совпадает с энергией 00°1 молекул СО₂. Поэтому процесс резонансной передачи возбуждения по схеме:

протекает весьма эффективно.

Структура колебательных уровней симметричных двух атомных молекул N₂ имеет простой вид и характеризуется только одним квантовым числом V.

Рис.1. Энергетический спектр молекул СО₂

Рис.2. Три фундаментальные моды колебаний СО₂.

Уровни с V₁=1 - метастабильны, излучательный переход запрещен правилом отбора. Время жизни частиц  составляет несколько секунд. Поэтому до 30% всех молекул N₂ находятся на этом уровне. Накачка верхнего лазерного уровня 00° 1 происходит как за счет прямого электронного удара, так и процесса резонансной передачи возбуждения. Помимо уровня 00⁰1, электроны могут возбуждать и вышележащие со­стояния 00°2, 00°3 и т.д. В результате неупругих столкновений возбужденных мо­лекул, находящихся в этих состояниях с молекулами, находящимися в основном состоянии (000), энергия возбужденных молекул уменьшается ровно па одну ступеньку с соответствующим возбуждением молекул (000) на верхний лазерный уровень. Схематически это выглядит так:

Таким образом, подавляющее число возбужденных молекул СО₂ оказывается на уровне 001 (соответствующая длина волны излучения l = 10,6 мкм), участвует в процессе создания инверсии и лазерной генерации. Возможен также переход с 001 на 020 с (l = 9,4 мкм), но его вероятность значительно меньше. Не - третья компонента, присутствующая в смеси. Гелий имеет высокий потенциал ионизации, т.е. повышает Т_е  до оптимальной величины (1,5-2 эВ) и способствует распаду нижних уровней 100 и 010 в результате неупругих соударений. Из-за высокой теплопроводности Не снижает температуру газовой смеси. Это очень важно, т.к. расстояние между основным (000) и нижними лазерными уровнями 100 и 020 невелико (~ 0,16 эВ). С ростом температуры газовой смеси в соответствии с распределением Стефана-Больцмана населенность нижних уровней увеличивается быстрее, чем верхних, время жизни верхнего лазерного уровня из-за столкновения возбужденных молекул уменьшается, и инверсия падает. Нагрев больше 200°С нежелателен.

Энергия лазерного кванта составляет 41% энергии верхнего уровня 001. Это теоретический предел для КПД лазера. Если бы вся энергия при накачке шла исключительно на возбуждение уровня 001 СО₂ и каждое возбуждение сопровождалось радиационным переходом 001 100, энергия лазерного излучения составляла бы 41%. Реальный КПД всегда значительно ниже.