Механизм возникновения инверсии в CO2-лазере.

Молекула CO2 имеет 4 колебательные степени свободы, которым соответствуют 3 типа колебаний: симметричные (рис. 1.33, а), деформационные (рис. 1.33, б), асимметричные

Рис. 1.33

Рис. 1.34

(рис. 1.33, в). Частоту этих колебаний обозначим соответственно через Отметим: .

Будем обозначать колебательные состояния молекулы Набором трех колебательных квантовых чисел: Эти числа равны кратности возбуждения соответственно симметричных, деформационных и асимметричных колебаний молекулы Так, например, колебательное состояние есть состояние, в котором двукратно возбуждены деформационные колебания и не возбуждены симметричные и асимметричные колебания.

Механизм возникновения инверсии в -лазере поясняет рис. 1.34, где показаны уровни молекулы отвечающие трем разным типам колебаний, а также первый возбужденный колебательный уровень молекулы азота. Верхним рабочим уровнем является уровень (001); нижним — уровни и (100). На переходе генерируется излучение с длиной волны 10,4 мкм, а на переходе — с длиной волны 9,4 мкм. Возбуждение уровня (001) происходит за счет неупругих столкновений молекул с электронами (электронное возбуждение) и с возбужденными молекулами (резонансная передача

Рис. 1.35

энергии). Последние возбуждаются в столкновениях с электронами.

Релаксация уровней и (100) происходит в основном за счет резонансной передачи энергии невозбужденным молекулам — с накоплением молекул в состоянии (см. переходы, обозначенные на рис. 1.34 буквой г):

Релаксация уровня — наиболее «узкое место». Основной механизм релаксации этого уровня — газокинетический механизм передачи энергии молекулам или атомам Не (см. переход, обозначенный на рис. 1.34 буквой . Таким образом, неупругие столкновения молекул со специально вводимыми в газовую смесь добавками играют важную роль в создании инверсии. Напомним в связи с этим, что -лазеры относят к столкновительным лазерам.

Заметим, что каждому колебательному уровню молекулы соответствует набор вращательных подуровней; следовательно, рабочие переходы должны рассматриваться как колебательно-вращательные переходы, которым должны отвечать колебательно-вращательные полосы в спектре генерации лазера. Эти полосы соответствуют Р- и Я-ветвям переходов. Указанные ветви хорошо просматриваются на рис. 1.35, где представлен спектр генерации маломощного -лазера (для перехода Примечательно, что с ростом мощности генерации число одновременно генерируемых -ветвях линий уменьшается и может сократиться до одной - двух линий (эффект конкуренции переходов). Иными словами, взаимодействие (конкуренция) переходов может приводить к тому, что генерация будет происходить в основном лишь из переходов Р- и -ветви. В результате излучение мощных -лазеров оказывается в высокой степени онохроматичным.

Рис. 1.36

Возвращаясь к вопросу создания инверсии в -лазере, отметим необходимость обеспечения оптимального отношения (Е — напряженность поля в области положительного столба разряда, Р — давление газовой смеси), при котором сечения электронного возбуждения молекул и уровня (001) молекул были бы достаточно большими, а сечения возбуждения уровней (100), молекул были бы относительно малыми. В качестве примера на рис. 1.36 приведены зависимости доли энергии передаваемой электронами плазмы в различные колебательные степени свободы, от отношения для конкретной ситуации, когда парциальные давления азота и двуокиси углерода равны. Приведенные кривые показывают, что оптимальные значения отношения лежат в данном случае в интервале примерно .

Таким образом, необходимая для создания инверсии селективность заселения верхних и очищения нижних рабочих уровней в -лазере обеспечивается на практике введением в активную среду азота и специальных добавок (в определенных пропорциях) и, кроме того, подбором оптимальной величины отношения