11. Молекулярные лазеры субмиллиметрового и миллиметрового диапазонов

К субмиллиметровому диапазону электромагнитных волн относят волны с длинами от 100 до 1000 мкм. Первые молекулярные лазеры, работающие на длинах волн выше 100 мкм, запустили Пейтел [1], Гебби и др. [2] и Матиас и др. [3]. В предыдущей главе мы рассмотрели колебательно-вращательные переходы молекул. Лазерные переходы осуществлялись прежде всего путем изменения колебательных квантовых чисел. Этим переходам соответствует более высокая энергия, чем чисто вращательным переходам. В молекулярных лазерах субмиллиметрового диапазона используется вынужденное испускание при вращательных переходах, которые характеризуются более низкими энергиями. Для молекулы типа симметричного волчка квантованные значения энергии записываются в виде

где здесь — момент инерции молекулы относительно оси z, К — квантовое число, принимающее значения от 0 до Выражение (11.1) указывает на существование большого числа вращательных переходов. Для молекулы в форме вытянутого волчка Полагая получаем, например, для следующие значения энергии при изменении К от 0 до 4:

На рис. 11.1 изображена часть энергетической структуры такой молекулы.

Резонаторы первых субмиллиметровых лазеров характеризовались малым значением числа Френеля (а — эффективный радиус зеркала, b — длина резонатора). Для достаточно типичного лазера эти величины были равны

Малое число Френеля означает высокие дифракционные потери. Если потери лучистой энергии при отражении от зеркал и светоделительной

Рис. 11.1. Фрагмент энергетической структуры для молекулы в форме вытянутого волчка.

Постоянные, входящие в выражение (11.1), обозначены следующим образом:

пластинки (рис. 11.2) составляют 5%, то для см мкм максимальная добротность резонатора При уменьшении длины резонатора до 300 см получаем

Рис. 11.2. Молекулярный лазер субмиллиметрового диапазона, созданный в группой швейцарских физиков [4]. 1 - осциллограф (самописец), 2 — усилитель, 3 — детектор Голея, 4 — окно из полиэтилена; 5 - источник импульсов высокого напряжения, 6 — механизм параллельного перемещения зеркала; 7 - полупрозрачная пластинка из полиэтилена, 8 — зонд, 9 — насос, стеклянная трубка, 11 — зеркало, 12 — кран, 13 — фильтр.

В первых молекулярных лазерах использовались вынужденные вращательные переходы таких молекул, как

Кроме сильной группы американских физиков из «Белл Телефон Лэбораториз», исследованиями в рассматриваемой области успешно занимались швейцарские физики из Цюриха: Кнебель, Мозер, Стеффен, Тандлер и Камани [4—6]. Они создали целый ряд субмиллиметровых лазеров и получили в 1966 г. рекордную длину волны, равную 0,774 мм.

Рассмотрим некоторые важнейшие результаты этой группы. Схема субмиллиметрового лазера, возбуждаемого электрическим разрядом, показана на рис. 11.2. Длина оптического резонатора могла меняться от 3,5 до диаметр зеркала составлял 7,5 см. Резонатор состоял из двух плоских зеркал; одно из них могло перемещаться параллельно самому себе на несколько сантиметров. Это позволяло перестраивать резонатор, что особенно важно на длинах волн, составляющих доли миллиметра. Небольшая часть энергии выводилась из резонатора с помощью полиэтиленовой светоделительной пластинки. После детектирования и усиления это излучение регистрировалось с помощью самописца или осциллографа. Давление газа в разрядной трубке составляло от 0,05 до 1 мм рт. ст. К электродам трубки прикладывали высокое напряжение от конденсатора емкостью заряженного до напряжения (максимального) Частота повторения импульсов варьировалась от 0,5 до 20 Гц, типичная мощность питания была порядка мегаватта. В некоторых случаях применялись импульсные конденсаторы емкостью до Максимальная сила тока в трубке достигала 450 А, длительность импульса . С помощью этого устройства Камани, Кнебель, Мозер и Стеффен 15, 61 исследовали вращательные переходы в соединениях циана и в диапазоне длин волн от 0,310 до 0,538 мм. Обнаруженные эмиссионные линии приписывают вращательным переходам радикала находящегося в основном электронном состоянии. Важнейшие переходы этого типа перечислены в табл. 11.1, а в табл. 11.2 приведены оптимальные значения давления и импульсных напряжений разряда. Для трех лазерных линий были получены следующие мощности пучка (в импульсе):

Чанг и др. [7] запустили в 1970 г. лазеры на парах метилового спирта, метилфторида и винилхлорида с оптической накачкой излучением молекулярного лазера на

Оптическая накачка молекулярных лазеров оказалась необычайно

Таблица 11.1. (см. скан) Вращательные переходы радикала в состоянии в электрическом разряде [6]

эффективной [8]. В процессе накачки молекула, находящаяся на основном (или несколько более высоком) колебательно-вращательном уровне с квантовыми числами , возбуждается на верхний колебательно-вращательный уровень Поскольку при термодинамическом равновесии возбужденное состояние заселено очень слабо, легко достигается инверсия между уровнями В соответствии с правилами отбора наиболее вероятны переходы типа Если молекула обладает устойчивым дипольным моментом, такие переходы можно использовать в лазере. Энергия фотонов при переходах указанного типа обычно меньше энергии . Поэтому вращательные уровни располагаются очень близко друг к другу, и получить инверсию

Таблица 11.2 (см. скан) Параметры лазеров субмиллиметрового диапазона на вращательных переходах радикала CN [6]

Рис. 11.3. Схема оптической накачки (на частоте а также прямой (сплошная стрелка) или каскадной (пунктирная стрелка) лазерной генерации [8].

населенностей с помощью электрического разряда трудно. Однако эту трудность относительно легко преодолеть при селективной накачке монохроматическим излучением лазера на Этот процесс проиллюстрирован на рис. 11.3. В субмиллиметровых и миллиметровых лазерах давление активного вещества изменяется в пределах примерно от 0,01 до 1 мм рт. ст., поэтому уширение уровней обусловлено прежде всего эффектом Доплера. Схема типичного лазера субмиллиметрового диапазона с оптической накачкой излучением лазера на приведена на рис. 11.4. Следует отметить, что он значительно меньше лазера Кнебеля и др. Положив , получаем несколько большее число Френеля:

В экспериментах Чанга 1970 г. длина лазера составляла всего лишь 77 см при диаметре разрядной трубки 4,7 см. Форма резонатора была близка к полусферической; зеркала позолочены. Выходное зеркало имело отверстие диаметром 1,2 мм, загерметизированное кристаллом NaCl. Давление паров активного вещества изменялось в пределах от 0,03 до 0,13 мм рт. ст. В парах метанола Чанг с сотрудниками наблюдали генерацию нескольких десятков линий с длинами волн в диапазоне нескольких сотен микрон. В качестве иллюстрации в табл. 11.3 представлены важнейшие параметры трех линий, зарегистрированных Чангом.

(кликните для просмотра скана)

Чанг и Мак-Джи [9] сообщили в 1976 г. об открытии с помощью весьма эффективной оптической накачки 99 новых лазерных линий в диапазоне от 227 мкм до 1,965 мм! Эти переходы наблюдались в молекулах Для возбуждения применялся лазер на перестраиваемый .с помощью дифракционной решетки. Он генерировал импульсы излучения с длительностью пиковой мощностью и частотой повторения 120 Гц. Таким образом, диапазон электромагнитных волн, излучаемых оптическими квантовыми генераторами, перекрылся с коротковолновым участком миллиметрового диапазона, в котором работают электронные приборы (лампы бегущей волны).

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)