§ 2. МОЛЕКУЛЯРНЫЙ ЛАЗЕР НА СО2

Классическим представителем молекулярных лазеров является газовый лазер на двуокиси углерода. Молекула линейная, она не обладает дипольным моментом. Три нормальных типа колебаний молекулы показаны на рис. 10.2 19,101. К ним относятся: линейно-симметричные колебания поперечно-деформационные и продольно-асимметричные Колебания типа двукратно вырождены, поскольку могут происходить в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Энергетические уровни молекулы обозначаются следующим образом: Эти числа в соответствии с формулой (10.17) однозначно определяют колебательную энергию молекулы. Квантовое число I принимает значения:

Рис. 10.1. Некоторые колебательно-вращательные переходы молекулы Линии положительной ветви обозначены символом а линии отрицательной ветви — символом Р.

Рис. 10.2. Три основных типа колебаний линейной молекулы

и определяет значения момента количества движения (в единицах связанного с колебаниями вдоль оси молекулы. В основном состоянии поэтому . В качестве примера ниже приведены значения для последующих состояний возбуждения:

Симметричным колебаниям соответствует переход между уровнями Это запрещенный переход. Изгибным колебаниям соответствует переход (при этом испускается излучение на длине волны 15,6 мкм). Переход мкм) связан с асимметричными колебаниями Он наиболее интенсивен. В табл. 10.2 приведены полные (интегральные) коэффициенты поглощения колебательно-вращательных переходов, показанных на рис. 10.3. Излучательное время жизни молекулы в состоянии меньше , а в состоянии меньше 1 с.

Электрический разряд в смеси очень эффективно возбуждает молекулы (возбуждается от 10 до 30% их общего числа

Таблица 10.2. Интегральные коэффициенты поглощения, рассчитанные для нескольких полос поглощения молекулы

в трубке). Поскольку молекула имеет одинаковые ядра, дипольный переход в ней запрещен, поэтому она может израсходовать свою энергию только путем соударений. Если в разрядной трубке находятся молекулы то благодаря близкому совпадению возбужденных уровней (рис. 10.4) соударения второго рода приводят к возбуждению молекул и возвращению молекул в основное состояние. Поэтому в смеси инверсия достигается значительно легче, чем в чистом Напомним, что с подобной ситуацией мы уже встречались в Не — Ne-лазере.

Рис. 10.3. Схема нижних энергетических уровней молекулы с указанием излу-чательных и лазерных переходов.

Показано также совпадение уровня молекулы азота с колебанием молекулы

Рис. 10.4. Детали структуры нижних энергетических уровней молекулы некоторых уровней вспомогательного газа Сплошными линиями указано электронное возбуждение, штриховыми — колебательная лаксация, волнистыми — вращательная релаксация, — населенности уровней молекулы — молекулы эффективные и собственные времена жизни состояния с учетом релаксации в смеси, — вероятности прямых и обратных процессов возбуждения, — вероятности переходов в результате неупругих соударений с электронами и молекулами газа, — постоянная, характеризующая частоту неупругих соударений

Обычно активная среда молекулярного лазера на состоит из смеси газов и Не; и Не играют вспомогательную роль. Энергии ионизации для указанных компонентов равны: . В процессе электрического разряда происходит ионизация молекул Неупругие соударения с электронами приводят к возбуждению молекул в нижние колебательные состояния. При этом довольно существенно возрастает населенность состояния 00° 1, которое обладает большим эффективным поперечным сечением по отношению к соударениям с и с электронами. Заполнение промежуточных состояний пренебрежимо мало (их время жизни относительно невелико). Между уровнями и возникает инверсия,

Рис. 10.5. Принципиальная схема одного из первых молекулярных лазеров. Стальные позолоченные зеркала образуют конфокальную систему. Лазерный луч выходит из резонатора через небольшое отверстие в одном из зеркал. Отверстие уплотнено кристаллом NaCl. На схеме не показаны прецизионные держатели зеркал.

которая служит источником когерентного излучения в резонаторе лазера.

Первые молекулярные лазеры на работали на смеси или и Не в разрядной трубке длиной около 100 см и диаметром в несколько сантиметров (рис. 10.5). Излучение основной линии с длиной волны 10,6 мкм может выйти из оптического резонатора сквозь отверстие в металлическом зеркале (это отверстие загерметизировано кристаллом пропускающим инфракрасное излучение) или сквозь зеркало, выполненное из чистого германия. Типичное напряжения питания трубки составляет от нескольких киловольт до нескольких сотен киловольт, ток разряда — около 50 мА. Как КПД, так и мощность пучка молекулярного лазера оказались поразительно велики по сравнению с соответствующими величинами для лазеров на нейтральных атомах и ионах. С одного метра столба разряда молекулярного лазера было получено инфракрасное излучение с мощностью около при КПД системы более 10%.

На начальном этапе разработок молекулярных лазеров для повышения их мощности иногда увеличивали длину разрядной трубки до Многометровый лазер на генерировал пучок мощностью в несколько киловатт в непрерывном режиме. Ясно, что такой пучок способен расплавить и превратить в пар любой материал. Однако при использовании пучка лазера на для плавления (резания) материалов возникает трудность, связанная с высоким коэффициентом отражения многих поверхностей в рабочем диапазоне длин волн. Неполированная поверхность металла отражает большую часть падающего на нее излучения, зато уголь, асбест и подобные им материалы плавятся.

Интенсивность лазерного пучка можно существенно повысить, если привести газовую смесь в движение. Принципиальная схема такого лазера, предложенного Пейтелом, показана на рис. 10.6. Газы независимо подводились к разрядной трубке лазера, причем молекулы предварительно возбуждались электрическим разрядом. В лазерной области происходила резонансная передача

Рис. 10.6. Молекулярный лазер с прокачкой газовой смеси, разработанный Пейтелом.

энергии от возбужденных молекул к молекулам Давления отдельных компонентов в лазере Пейтела были равны: Не — мм рт. ст.

В 1969 г. Тиффани, Тарг и Фостер [11] предложили изменить направление движения газовой смеси по отношению к оси резонатора лазера (поперечная прокачка). Принципиальная схема их лазера показана на рис. 10.7. От лазера длиной они получили световой пучок мощностью около 1 кВт. Поскольку увеличение температуры смеси снижает инверсию в системе, газы прокачиваются через соответствующий теплообменник. Скорость прокачки газа составляла Выходное зеркало было изготовлено из чистого германия; его коэффициент пропускания составлял 35%. Диаметр лазерного пучка был равен 40 мм, а газовая смесь состояла из .

Другим существенным достижением в области молекулярных лазеров было применение Бальо [12] в 1970 г. возбуждения поперечным искровым разрядом при увеличении давления в лазере до 1 атм. Этот лазер получил сокращенное наименование TEA (Transversely Excited Atmospheric). ТЕА-лазер представляет собой прекрасный пример истинного прогресса науки. Раньше для увеличения мощности лазера увеличивали длину разрядной трубки (до 100 м и более!). Бальо показал, что метровый лазер нового типа на может генерировать световые импульсы мощностью порядка мегаватта. Решение заключалось не в увеличении размеров лазера при сохранении прежней системы питания, а в переходе к совершенно иным значениям давления и способу возбуждения молекул в

Рис. 10.7. Молекулярный лазер на с поперечной прокачкой [11].

лазере малых размеров. Лазер типа показан на рис. 10.8. Электрический разряд в нем происходит между длинным верхним электродом (анодом) и катодом, состоящим из набора параллельных игл, включенных через сопротивления величиной около 1 кОм. Система питалась импульсами от конденсатора емкостью около заряженного до Частота импульсов могла меняться от нескольких герц до 1000 Гц. Остальные параметры лазера Бальо были такими: длительность разрядного импульса — состав — 1 часть части и 10 частей Не (при общем давлении до 1 атм), длительность лазерного импульса — 300 не, энергия в импульсе — число катодных острий — 150, расстояние между катодом и анодом — 2,5 см. Систему можно смонтировать

Рис. 10.8. ТЕА-лазер на с поперечным возбуждением искровым разрядом, созданный в Бальо [12].

в коробке из плексигласа, поскольку давление рабочей смеси близко к атмосферному. Одно из зеркал лазера было выполнено из NaCl и покрыто несколькими слоями селена; его коэффициент отражения составлял 85%. Вскоре после запуска первого ТЕА-лазера Бальо создал ряд усовершенствованных вариантов. Они работали с КПД, равным 17%, энергия в импульсе достигала 1 Дж при частоте повторения импульсов до 1000 Гц.

В молекулярном лазере большое значение имеет зависимость мощности светового пучка от давления в разрядной трубке. Если не принимать во внимание механизм возбуждения молекул, эта зависимость должна быть линейной. Однако в ТЕА-лазере мощность растет пропорционально квадрату давления. Таким образом, работа при высоких давлениях приводит к значительному приросту мощности лазера. Бальо объясняет это следующим образом. Молекулы, которые после испускания кванта энергии (в процессе вынужденного испускания) перешли в конечное лазерное состояние, должны возможно скорее вернуться в основное состояние. Опустошение конечного состояния происходит в результате соударений, частота которых прямо связана с числом молекул, т. е. сдавлением. Следовательно, частота повторения импульсов лазера может быть повышена, если давление газовой смеси велико. Поэтому мощность лазера пропорциональна квадрату давления.

Чрезмерного нагрева активной среды можно избежать, используя очень короткие возбуждающие импульсы. Наблюдая работу ТЕА-лазера, Бальо обнаружил, что в диапазоне давлений от нескольких мм рт. ст. до 20 мм рт. ст. разряд однороден. При давлении выше 20 мм рт. ст. между катодными остриями и анодом возникают отдельные искровые каналы. Разделение активной среды на возбужденные и нейтральные области несколько снижает эффективность лазера, однако усиление остается достаточно высоким. Недавно Ламбертон и Пирсон [13], Григории и Бринкшульте [14] и другие авторы

Рис. 10.9. Мощный молекулярный ТЕА-лазер, созданный Барановым и др. [15].

изменили геометрию электродов и применили двойную систему разряда (с вспомогательными ионизирующими электродами). Кроме того, в активную среду добавлены небольшие количества ксилена. Электрический разряд осуществляется в основном между двумя плоскими электродами. Применена также прокачка газа со скоростью несколько литров в секунду. От одного литра газовой смеси можно получить лазерные импульсы с энергией 21 Дж.

Современные молекулярные лазеры на генерируют инфракрасное излучение с мощностью порядка мегаватта или даже гигаватта и энергией в импульсе в несколько сотен джоулей. Примером такого лазера является система, созданная в 1974 г. Барановым и др. [15]. Схема этого лазера показана на рис. 10.9. Его резонатор длиной состоял из 12 секций, а общая длина активного объема составляла (при сечении ). Парциальные давления газов находились в отношении при общем давлении 300 мм рт. ст. Лазер работал в импульсном режиме при длительности импульса нс, а энергия импульса достигала 150 Дж.

В последние годы достигнут также прогресс в создании газодинамических лазеров. Читатель сможет найти исчерпывающее описание этих лазеров в работах [16, 17]. В газодинамическом лазере в специальной камере создается совместный поток возбужденного

Рис. 10.10. Распределение энергий молекул и населенности лазерных уровней (по отношению к основному состоянию) в зависимости от положения молекул в области сопла газодинамического лазера.

и холодного Азот вначале находится в камере при температуре от 1500 до 2500 К и давлении около 10 атм, а затем расширяется через систему сопел до давления 12—20 мм рт. ст. Колебательные уровни возбуждаются дуговым разрядом мощностью от 30 до 60 кВт. Углекислый газ находится в низкотемпературной камере (300—500 К) под давлением 11 атм, а затем расширяется через систему независимых сопел, так что его струи текут вместе со струями азота. В процессе перемешивания и обмена энергией концентрация колебательно-возбужденных молекул возрастает, что приводит к возникновению инверсной населенности в системе. На рис. 10.10 схематически показаны в относительных единицах распределение энергий молекул и населенности лазерных уровней в зависимости от положения молекул в области сопла.