Механизм возникновения инверсии в газодинамическом CO2-лазере.

Как и в других типах -лазеров, инверсия создается на переходах (001) (100) и молекулы . В заселении верхнего рабочего уровня (001) важную роль играют процессы резонансной передачи энергии возбуждения от молекул азота. Вводимые в смесь дополнительные компоненты (например, водяной пар) способствуют ускорению релаксации уровня

Рис. 1.41

Рис. 1.42

Специфика тепловой накачки проявляется в том, что в данном случае колебательные уровни молекул заселяются за счет теплового, а не электронного возбуждения. Как отмечалось, при этом принципиально важно различие времен релаксации верхних и нижних уровней. Обратимся к рис. 1.42, где по сути дела повторена схема уровней рис. 1.34. Здесь — резонансные переходы, — газокинетические переходы. Релаксация уровня возбуждения молекулы и уровня (001) молекулы осуществляется за счет газокинетического механизма передачи энергии (здесь пока не рассматривается резонасная передача энергии от азота к углекислому газу), тогда как релаксация уровней (100) и молекулы происходит за счет резонансного механизма. Поскольку скорость резонансной передачи энергии значительно выше, чем газокинетической, то уже отсюда видно, что верхний рабочий уровень молекулы должен релаксировать медленнее, чем нижние рабочие уровни Особенно медленно релаксирует колебательный уровень молекулы

Теперь предположим, что смесь нагретая до температуры, равной примерно 1500 К, быстро расширяется, проходя через узкое сопло (точнее, через сопловый блок). При этом происходит резкое возрастание кинетической энергии молекул (напомним, что из сопла выходит поток газа со сверхзвуковой скоростью около Энергия поступательного движения молекул черпается

Рис. 1.43

за счет энергии колебательного движения; это означает, что при выходе из сопла происходит быстрая релаксация колебательных уровней. Крайне существенно, что быстро релаксируют не все колебательные уровни, а именно те, для которых время релаксации меньше, т. е. нижние рабочие уровни (020) и (100) молекулы Что же касается уровня (001) молекулы а также колебательного уровня молекулы то при достаточно быстром расширениии газа они не успевают сколь-либо заметно релаксировать. В рабочем же объеме, т. е. в условиях достаточно разреженного газа (давление не выше 0,1 атм) эти уровни практически вообще не релаксируют — наблюдается эффект «замораживания» верхних колебательных степеней свободы.

На рис. 1.43 показан характер изменения заселенностей уровней и (001) молекулы по мере перехода газовой смеси из форкамеры (параметры смеси ) в рабочий объем (параметры смеси . В переходной области (области сопла) происходит практически полное очищение уровня и лишь небольшое уменьшение заселенности уровня (001). В рабочем объеме заселенность уровня (001) практически «замораживается» при значении, примерно соответствующем исходной температуре Налицо инверсия заселенностей уровней (001) и

Итак, молекулы поступают в рабочий объем с практически незаселенными нижними рабочими уровнями (точнее, заселенность этих уровней соответствует температуре Что же касается верхнего рабочего уровня, то он оказывается заселенным, как если бы газ продолжал находиться при температуре

При этом весьма важно, что оказывается «замороженной» также заселенность колебательного уровня молекул Возбужденные молекулы будут резонансно передавать энергию возбуждения молекулам и тем самым поддерживать относительно высокую заселенность уровня (001). Напомним, что в газодинамическом лазере азот в

количественном отношении является основным компонентом смеси — около 90%. Поэтому можно считать, что энергия когерентного излучения черпается в основном за счет колебательной энергии молекул азота.

Таким образом, энергия, запасенная в колебательных степенях свободы молекул, находящихся в форкамере, расходуется при переходе газовой смеси в рабочий объем через сопло следующим образом. Та часть энергии, которая была запасена в симметричных деформационных колебаниях молекул превращается в энергию поступательного движения потока, выходящего из сопла. Энергия же, запасенная в асимметричных колебаниях молекул а главное, в колебаниях молекул превращается за вычетом потерь в резонаторе в энергию когерентного оптического излучения.