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 
