ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

СО ЛАЗЕР

Другим примером газового лазера на колебательно-вращательных пере­ходах, который будет кратко рассмотрен, является СО лазер. Этот лазер вы­звал значительный интерес в связи с тем, что он генерирует на более корот­кой, чем С02 лазер, длине волны (к s 5 мкм), а также имеет высокий КПД и высокую выходную мощность. Экспериментально достигнутые [14] выход­ные мощности таких лазеров превышают 100 кВт, а КПД — 60%. Однако

Чтобы реализовать лазер с такими параметрами, газовую смесь приходится охлаждать до криогенных температур (77-100 К). В генерацию лазера при X = 5 мкм дают вклад несколько вращательно-колебательных переходов силь­но возбужденной молекулы СО (например, при температуре Т = 77 К, начи­ная с переходов 1/(11) V (10) и заканчивая переходами 1/(7) -» V (6)).

Накачка колебательных уровней молекулы СО осуществляется возбуж­дением электронным ударом. По аналогии с изоэлектронной молекулой Ы2 молекула СО обладает необычно большим сечением возбуждения колеба­тельного уровня электронным ударом. При этом почти 90% энергии электронов в разряде может быть преобразовано в колебательную энергию молекул СО. Другая важная особен­ность молекул СО состоит в том, что скорость УТ-релакса - ции у них существенно больше, чем скорость ^Т-релаксации (которая необычайно мала). Вследствие этого населенность высоколежащих колебательных уровней не будет подчи­няться больцмановскому распределению, поскольку в дан­ном случае очень большую роль играет процесс, известный как ангармоническая накачкаг. Хотя данное явление не позволяет получить полную инверсию населенностей ко­лебательных уровней молекулы СО, здесь возможна так на­зываемая частичная инверсия. Это иллюстрируется на рис. 10.18, где показаны населенности вращательных уров­ней двух соседних колебательных состояний. Хотя пол­ные населенности двух колебательных состояний одина­ковы, инверсия существует для двух переходов Р-ветви ((<=/' = 5) -> («7 = 6), (</' = 4) -»(с/ = 5)) и двух переходов Д-вет - ви, указанных на рисунке.

Таким образом, при частичной инверсии может возни­кать генерация, и в этом случае важную роль играет новое явление, называемое каскадной генерацией. Действительно, такая генера­ция вызывает уменьшение населенности вращательного уровня верхнего со­стояния и увеличение населенности вращательного уровня нижнего колеба­тельного состояния. Последний из упомянутых уровней в процессе генера­ции может накопить достаточную населенность, чтобы образовалась инверсия по отношению к вращательному уровню более низкого колебательного со­стояния. В то же время населенность вращательного уровня верхнего состоя­ния может значительно уменьшиться, вследствие чего возникает инверсия

Населенностей между этим уровнем и вращательным уровнем более высоко­го колебательного состояния. Процесс каскадного взаимодействия с очень низкой скоростью Т^Г-релаксации приводит к тому, что большая часть коле­бательной энергии переходит в энергию выходного излучения лазера. Дан­ное обстоятельство, а также очень высокая эффективность возбуждения объ­ясняют высокий КПД СО лазера. Для того чтобы ангармоническая накачка была высокоэффективной, температура рабочей смеси должна быть низкой. Действительно, отклонение распределения населенностей от больцмановско - го, а следовательно, и степень частичной инверсии быстро увеличиваются с понижением температуры поступательного движения.

Как и в случае С02 лазера, СО лазер работает по схеме с продольной про­качкой газовой смеси в импульсном поперечном электрическом разряде с предыонизацией электронным пучком, а также при газодинамическом воз­буждении. Промышленное производство СО лазеров пока сдерживается не­обходимостью их работы при низких температурах. Однако недавно были построены высокомощные (Р > 1 кВт) СО лазеры, работающие при темпера­туре близкой к комнатной и сохраняющие при этом высокий дифференци­альный КПД (~10%), и теперь такие лазеры всерьез рассматриваются в каче­стве перспективного источника излучения для приложений, связанных с обработкой материалов.

10.2.3.3.

АЗОТНЫЙ ЛАЗЕР

В качестве наиболее значимого приме­ра лазеров на электронно-колебательных переходах рассмотрим N2 лазер [15]. Наибо­лее важной линей генерации этого лазера является линия с длиной волны к = 337 нм (УФ), а сам лазер относится к типу лазеров на самоограниченных переходах.

На рис. 10.19 изображена упрощенная схема энергетических уровней молекулы N3. Генерация происходит на так называе­мой второй положительной системе полос, т. е. на переходе из состояния С3ПЫ (далее будем называть его С-состоянием) в состоя­ние В3Пё (В-состояние)[66]. Предполагается, что возбуждение С-состояния обусловлено столкновениями молекул N2, находящих­ся в основном состоянии, с электронами.

Поскольку как С-, так и Б-состояния яв­ляются триплетными, переходы в них из основного состояния запрещены по спину.

Спектроскопические свойства лазерных УФ-переходов и состав газовой смеси

В азотных и КгР лазерах

Тип лазера

Длина волны [нм]

Парциальное давление [мбар]

960 (Не)

2400 (Не)

Однако согласно принципу Франка-Кондона можно ожидать, что сечение возбуждения уровня и = 0 С-состояния будет больше, чем сечение возбужде­ния уровня V = 0 Б-состояния. Действительно, положение минимума потен­циальной кривой Б-состояния сдвинуто в область, соответствующую боль­шему межъядерному расстоянию, чем в случае С-состояния. Время жизни (излучательное) С-состояния равно 40 не, тогда как время жизни Б-состоя­ния — 10 мкс. Поскольку условие (7.3.1) не выполняется, лазер, очевидно, не может работать в непрерывном режиме. Однако возможна генерация в импульсном режиме при условии, что длительность возбуждающих элек­трических импульсов значительно меньше 40 не. Генерация происходит преимущественно на вращательных линиях перехода 1>"(0) -> 1/(0) (соответ­ствующего длине волны X = 337,1 нм) из-за большого значения сечения вы­нужденного излучения для этого перехода. Генерация также имеет место, хотя и с меньшей интенсивностью, на переходах и"(1) -> 1/(0) (X = 357,7 нм) и 1>"(0) 1/(1) (Х = 315,9 нм). Некоторые спектроскопические данные для

N2 лазера обобщены в табл. 10.2.

Наиболее часто используемая конструкция N2 лазера очень близка к той, что изображена на рис. 10.17. Поскольку в этом случае внешнее электриче­ское поле имеет высокую напряженность (~10 кВ/см для типичной смеси: N2 при давлении ~40 мбар и Не при 960 мбар), обычно применяется ТЕА* схема. Чтобы обеспечить требуемый короткий разрядный импульс (5-10 не), индуктивность разрядного контура должна быть как можно меньше. Вслед­ствие высокого усиления самоограниченного перехода генерация представ­ляет собой усиленное спонтанное излучение (УСИ), и лазер может работать вообще без зеркал. Однако с целью уменьшения порогового усиления, и сле­довательно пороговой электрической энергии для УСИ (см. раздел 2.9.2), в этом лазере на одном из концов устанавливают зеркало. Помимо этого, дан­ное зеркало обеспечивает однонаправленность выходного излучения и по­зволяет уменьшить расходимость пучка. Такие лазеры позволяют получать пиковые мощности вплоть до ~1 МВт в импульсах длительностью ~10 не при частоте повторения до 100 Гц. Не так давно были разработаны 1Ч2 лазеры, работающие на азоте при атмосферном давлении без добавления гелия. Про­
блему возникновения дугового разряда предотвращают дальнейшим умень­шением длительности импульса напряжения (до ~1 не). Благодаря возрос­шему усилению на единицу длины и малому времени разряда, лазеры этого типа обычно работают без зеркал. Длину устройства можно сделать очень маленькой (10-50 см) и, как следствие, получить выходные импульсы мень­шей длительности (-100 пс при пиковой мощности 100 кВт). Азотные лазе­ры как с большой (-10 не), так и с малой (-100 пс) длительностью импульсов широко применяются для накачки лазеров на красителях, поскольку боль­шинство красителей сильно поглощает в УФ-диапазоне.