1.3.1. Схема энергетических уровней молекулы , участвующих в процессе лазерной генерации

Это самый яркий представитель молекулярных лазеров. Генерация была впервые получена в 1964 г. С. Пателом. Им же предложено объяснение механизма получения генерации.

Молекула углекислого газа имеет три типа колебаний (рис. 20) — симметричные, деформаиионные и несимметричные. Эти типы колебаний также называются модами.

Рис. 21

называется поляризацией деформационного колебания и отмечается верхним индексом у ее колебательного квантового числа где 1 = 0 условно соответствует колебанию в плоскости х, а 1=1 — колебанию в плоскости у. Таким образом, колебательное состояние молекулы СО обозначают тремя квантовыми числами трех мод, которые располагают в строго определенном порядке (v ,v ,v ).

Схема колебательных уровней молекулы СО , участвующих в процессе генерации лазерного излучения, представлена на рис. 21:

В СО2-лазере генерация осуществляется на двух лазерных переходах:

на 00 1-10 0 с длиной волны излучения 10,6 мкм и на 00 1-02 0 с длиной волны излучения 9,4 мкм.

Поскольку вероятность спонтанного распада верхнего лазерного уровня 00 1 равна А = 5,1 с , то основную роль в заселении и расселении уровней играют столкновительные процессы.

1.3.2. Создание инверсии на лазерных переходах

Чтобы добиться инверсии на лазерных переходах поступают следующим образом:

1. В газ молекул СО добавляют азот (N ). Дело в том, что верхний лазерный уровень 00 1 молекулы СО почти точно совпадает по энергии с колебательным уровнем v=1 в основного электронного состояния молекулы N . И это совпадение используется следующим образом:

• Молекула СО хорошо возбуждается в газовом разряде электронным ударом в состояние 00 1. Но еще лучше (эффективнее) возбуждается молекула N в свое состояние v = 1. При столкновении невозбужденных молекул СО и возбужденных молекул N возбуждение от N передается к СО молекулам. Таким образом, в смеси углекислого газа с азотом, в которой возбужден электрический разряд, заселение верхнего лазерного уровня 00 1 молекул СО происходит одновременно по двум каналам. Первый представляет заселение данного уровня непосредственно электронным ударом молекулы СО , а второй — его заселение через столкновение этой молекулы с возбужденной молекулой N .

• Тушение возбужденных состояний 00 1 (СО ) и v=1 (N ) при различных столкновениях более эффективно идет у СО . Если в рабочей смеси присутствуют молекулы воды, то тушение азота идет тоже хорошо, но если их нет, то азот служит как бы аккумулятором энергии в газоразрядных камерах большого объема (чтобы не было тушения на стенках). Поэтому присутствие азота хорошо поддерживает уровень 00 1 у СО в возбужденном состоянии. Напротив, о присутствие молекул воды на этом свойстве азота сказывается отрицательно.

2. В газ СО кроме азота добавляют еще гелий (Не). Это делают по следующим причинам:

• Дело в том, что для поддерживания стационарной генерации нижние уровни лазерных переходов (02 0 и 10 0) необходимо эффективно расселять. Это и осуществляется с помощью гелия. Вообще говоря, это хорошо делается и с помощью воды, но выше уже отмечалось, что молекулы воды тушат возбужденные молекулы азота.

• Вторая функция гелия заключается в том, что он обеспечивает хороший теплоотвод от рабочей смеси за счет своей высокой теплопроводности и тем самым оказывает стабилизирующее действие на ГР.

3. Имеет место благоприятное стечение обстоятельств, заключающееся в том, что энергия, необходимая для поддержания самостоятельного тлеющего разряда, близка энергиям уровней 00 1 (СО ) и ν =1 (N ). Поэтому весь процесс создания инверсии идет очень эффективно ( 80% выделяемой в разряде электрической энергии идет на возбуждение верхнего лазерного уровня).

4. Подбирают оптимальное соотношение между компонентами газообразной смеси СО N -Не. Обычно оно составляет 1:2:3, иногда 1:2:6. Конкретное соотношение зависит от многих условий. Вообще этот подбор представляет очень сложную задачу по оптимизации работы лазера и проводится отдельно в каждом конкретном случае.

5. В некоторых случаях рабочую смесь прокачивают через разрядную камеру. Дело в том, что в процессе лазерной генерации сильно идет диссоциация молекул СО в реакции:

2 СО =2СО+О ,

поэтому смесь и заменяют. Но в настоящее время в лазерах средней мощности смесь регенерирует химическим путем, и лазеры изготовляются автономными (отпаянными). Для этого в рабочую смесь добавляют около 1 % воды и генерация осуществляется, как предполагают, по схеме:

Н,О=ОН+Н,

СО+ОН = СО +Н.

Здесь имеет место компромисс: хотя вода и ухудшает аккумулирующее свойство азота, зато лазер становится автономным и удобным в работе.