6.3.3.1. СО2-лазер

В этом лазере используется специальная смесь газов и Не. Генерация происходит на переходе между двумя колебательными уровнями молекулы а азот и гелий, как мы покажем ниже, значительно повышают КПД лазера. -лазер является одним из самых мощных лазеров (от газодинамического -лазера получены выходные мощности порядка и одним из наиболее эффективных (дифференциальный Лишь полупроводниковые и СО2-лазеры имеют более высокие КПД.

Рис. 6.14. Нижние колебательные уровни основного электронного состояния молекул (для простоты здесь не показаны вращательные уровни).

На рис. 6.14 приведены схемы энергетических уровней основных электронных состояний молекул Поскольку — двухатомная молекула, она имеет лишь одну колебательную моду; на рисунке показаны два нижних уровня Структура энергетических уровней молекулы более сложная, поскольку эта молекула является трехатомной. Здесь мы имеем три невырожденные колебательные моды (рис. 6.15), а именно: 1) симметричную валентную моду, 2) деформационную моду и 3) асимметричную валентную моду. Поэтому колебания молекулы описываются тремя квантовыми числами которые определяют число квантов в каждой колебательной моде. Таким образом, соответствующий уровень обозначается этими тремя квантовыми числами, записываемыми

в последовательности Например, уровень соответствует колебанию, деформационная мода (мода 2) которого имеет один колебательный квант. Поскольку из трех типов колебаний моде 2 соответствует наименьшая постоянная упругости (колебания являются поперечными), рассматриваемый уровень имеет наименьшую энергию.

Рис. 6.15. Три фундаментальные моды колебаний молекулы — симметричная валентная мода, — деформационная мода, — асимметричная валентная мода.

Генерация происходит на переходе между уровнями и мкм), хотя можно получить генерацию также и на переходе между уровнями .

Накачка на верхний лазерный уровень происходит очень эффективно благодаря следующим двум процессам.

а) Непосредственные столкновения с электронами. Очевидно, основной тип непосредственного столкновения, который следует рассмотреть, имеет вид Сечение столкновения с электроном для данного процесса очень велико и намного превышает соответствующее сечение возбуждения уровней 100 и Возможно, это связано с тем, что переход оптически разрешен, в то время как переход, например 000100, не является таковым. Заметим, кроме того, что прямой электронный удар может приводить также к возбуждению верхних колебательных уровней молекулы Однако молекула быстро релаксирует с этих верхних состояний в состояние (001) посредством околорезонансных столкновений типа

Данный процесс приводит к релаксации всех возбужденных молекул в состояние (0, 0, 1). Действительно, благодаря этому процессу сразу достигается термализация колебательной энергии между состоянием (0, 0, 1) и верхними колебательными состояниями, и колебательную систему можно характеризовать колебательной температурой Заметим, что наиболее вероятным является столкновение возбужденной и невозбужденной молекулы, поскольку большинство молекул в газовой смеси все же находятся в основном состоянии.

б) Резонансная передача энергии от молекулы Этот процесс имеет также большую эффективность благодаря тому, что разница энергий между возбужденными уровнями двух молекул невелика Кроме того, очень эффективным является процесс возбуждения молекулы из основного состояния на уровень при столкновениях с электронами, причем уровень является метастабильным. В самом деле, переход запрещен для электродипольного излучения, поскольку силу симметрии молекула не может обладать полным дипольным моментом. Наконец, более высокие колебательные уровни молекулы находятся почти в резонансе с соответствующими уровнями молекулы (вплоть до уровня а переходы между возбужденными уровнями и 001 молекулы происходят с очень большой скоростью за счет процесса (6.6).

Рассмотрим теперь следующий вопрос, а именно релаксацию верхнего и нижнего лазерных уровней. С этой целью заметим, что, хотя переходы оптически разрешены, соответствующие времена релаксации Тспонт для спонтанного излучения очень велики (напомним, что Тспонт - Поэтому релаксация различных указанных уровней в большей мере определяется столкновениями. В соответствии с этим время релаксации верхнего лазерного уровня можно определить по формуле типа

где — парциальные давления, а — постоянные, характеризующие каждую компоненту газовой смеси в разряде. Рассматривая, например, случай, когда полное давление смеси равно 15 мм рт. ст. (при парциальных давлениях в отношении мы находим, что время жизни верхнего лазерного уровня Что касается скорости релаксации нижнего уровня, то прежде всего заметим, что вероятность перехода очень велика и этот переход происходит даже в изолированной молекуле. Действительно, разность энергий этих

двух уровней много меньше Кроме того, эти состояния взаимодействуют друг с другом (резонанс Ферми), поскольку деформационное колебание стремится изменить расстояние между атомами кислорода (т. е. вызывает симметричное растяжение). При этом за счет околорезонансных процессов столкновения с молекулами в основном состоянии уровни эффективно взаимодействуют с уровнем 010 (VV-релаксация):

Вероятность этих двух процессов очень большая, поскольку много меньше Следовательно, населенности трех уровней достигают теплового равновесия за очень короткое время. Это равносильно утверждению, что населенности этих уровней можно описать колебательной температурой В общем случае температура отличается от Поэтому нам остается найти скорость релаксации с уровня на основное состояние Если бы она была небольшой, то это вызвало бы накопление молекул на уровне во время генерации лазера, а затем накопление населенности на уровнях поскольку уровень находится с последними в тепловом равновесии. Таким образом, произошло бы замедление процесса релаксации всех трех уровней, т. е. в общем процессе релаксации переход представлял бы собой «узкое место». В связи с этим важно изучить вопрос о времени жизни уровня Заметим, что, поскольку переход обладает наименьшей энергией среди всех молекул, присутствующих в разряде, релаксация с уровня может происходить только путем передачи этой энергии в энергию поступательного движения сталкивающихся частиц (-релаксация). Из теории столкновений нам известно, что энергия с большей вероятностью передается более легким атомам, т. е. в нашем случае гелию. Это означает, что время жизни уровня снова определяется выражением типа (6.7), причем коэффициент а; для Не много больше, чем для остальных частиц. При тех же парциальных давлениях, что и в рассмотренном выше примере, время жизни составляет около Из только что проведенного обсуждения следует, что это же значение времени жизни имеет и нижний лазерный уровень. За счет того, что время жизни верхнего лазерного состояния намного больше, населенность будет накапливаться на верхнем лазерном уровне и условие непрерывной генерации также выполняется. Заметим, что наличие гелия приводит и к другому важному эффекту: за счет своей высокой теплопроводности гелий способствует поддержанию низкой температуры

за счет отвода теплоты к стенкам газоразрядной трубки. Низкая температура поступательного движения необходима для того, чтобы избежать заселения нижнего лазерного уровня за счет теплового возбуждения, поскольку разность энергий между уровнями в действительности сравнима с Таким образом, благоприятное воздействие, которое оказывают на лазер и , объясняется тем, что способствует заселению верхнего лазерного уровня, а — обеднению нижнего.

Из представленного выше рассмотрения ясно, что генерация в -лазере может осуществляться на переходе либо , либо . Поскольку сечение первого перехода больше, а верхний уровень один и тот же, генерация, как правило, происходит на переходе Для получения генерации на линии 9,6 мкм в резонатор для подавления генерации на линии с наибольшим усилением помещается соответствующее частотно-селективное устройство (часто применяется система, изображенная на рис. До сих пор в нашем обсуждении мы пренебрегали тем фактом, что как верхний, так и нижний лазерный уровни на самом деле состоят из многих близко расположенных вращательных уровней. Соответственно и лазерный переход может состоять из нескольких равноотстоящих колебательно-вращательных переходов, принадлежащих Р- или -ветвям (см. рис. 2.28), причем Р-ветвь дает наибольшее лазерное усиление. Для полноты картины следует также учесть тот факт, что благодаря больцмановскому распределению населенности между вращательными уровнями наибольшую населенность имеет вращательный уровень верхнего 00° 1 состояния (рис. 6.16) 1). На самом деле генерация фактически будет происходить на колебательно-вращательном переходе с наибольшим усилением, т. е. начинающемся с самого населенного уровня. Это происходит потому, что скорость термализации вращательных уровней в -лазере больше, чем скорость уменьшения населенности (за счет спонтанного и вынужденного излучения) того вращательного уровня, с которого происходит лазерная генерация. Поэтому в генерации лазера на вращательном переходе с максимальным усилением будет принимать участие полная населенность всех вращательных уровней. Следовательно, подытоживая наше обсуждение, можно сказать, что генерация в -лазере при нормальных условиях возникает на линии Р (22) [т. е. перехода Другие линии того же самого перехода, а также линии, принадлежащие

переходу можно выделить с помощью схемы, приведенной, например, на рис. 5.4, б (расстояние между генерирующими вращательными линиями в -лазере составляет около

Основной вклад в ширину линии -лазера дает эффект Доплера. Однако по сравнению с лазером, скажем, видимого диапазона из-за низкой частоты лазерного перехода доплеровская ширина линии довольно мала (около 50 МГц) [см. (2.78)]. Однако теперь уже нельзя пренебречь столкновительным уширением, особенно при высоком полном давлении газовой смеси .

Рис. 6.16. Относительная населенность вращательных подуровней верхнего лазерного уровня молекулы

Действительно, его величина составляет МГц, где — относительные парциальные давления в газовой смеси, Т — температура, полное давление (в мм рт. ст.). Выбирая в качестве примера рассмотренный выше случай низкого давления для смеси Не в отношении при получаем МГц. Таким образом, при низких давлениях полная ширина линии, определяемая совместным действием доплеровского и столкновительного уширений, довольно мала . В этом случае лазерная генерация будет сосредоточена в одной продольной моде, если длина резонатора меньше При этом нам, возможно, пришлось бы произвести точную настройку длины резонатора, чтобы

обеспечить точное попадание частоты моды в центр контура усиления. Частоту лазеров данного типа можно стабилизировать с высокой степенью точности при помощи провала Лэмба или (что еще лучше) обращенного провала Лэмба (с использованием метановой ячейки). Лазеры с большей длиной с более высоким давлением смеси генерируют несколько продольных мод, и необходимость в точной подстройке длины лазерного резонатора отпадает.

Рис. 6.17. Схематическое представление волноводного -лазера с продольной прокачкой газа.

С точки зрения конструкции -лазеры можно подразделить на семь типов: 1) лазеры с медленной продольной прокачкой, 2) лазеры с быстрой продольной прокачкой, 3) отпаянные лазеры; 4) волноводные лазеры, 5) лазеры с поперечной прокачкой, 6) лазеры с поперечным возбуждением при атмосферном давлении (ТЕА-лазеры) и 7) газодинамические лазеры. Прежде чем рассматривать эти лазеры, следует указать на то, что, хотя они и отличаются друг от друга по многим своим рабочим параметрам (например, выходной мощности), все они имеют общую важную особенность, а именно высокий дифференциальный Столь высокий КПД является следствием большого квантового выхода см. рис. 6.14) и очень высокоэффективного процесса накачки, который имеет место в -лазере при оптимальной электронной температуре разряда (см. рис. 3.25).

а) Лазеры с медленной продольной прокачкой. Впервые генерация в -лазере была получена в лазере именно такого типа (Ч. Пател, 1964 г. [18]). Газовая смесь медленно прокачивается вдоль лазерной трубки (см. рис. 6,17) просто для того,

чтобы удалить продукты диссоциации, в частности которые в противном случае загрязняют лазерную среду. Отвод тепла обеспечивается теплопередачей в радиальном направлении к стенкам трубки (обычно стеклянным), которые охлаждаются извне подходящим теплоносителем (как правило, водой). Часто применяется конструкция с внутренним зеркалом, и, по крайней мере в конфигурации рис. 6.17, один из металлических держателей, который включает в себя зеркало резонатора, должен находиться при высоком напряжении. Одно из главных ограничений этого лазера состоит в том, что независимо от диаметра трубки в нем имеется верхний предел выходной мощности с единицы длины разряда Это можно объяснить следующим образом. При данной плотности тока число молекул, накачиваемых на верхний лазерный уровень в единицу времени, можно записать в виде [см. (3.32) и

где — соответствующее сечение возбуждения электронным ударом, в которое входит как прямое возбуждение, так и возбуждение посредством передачи энергии, — полная населенность основного состояния — заряд электрона. Для скоростей накачки, намного превышающих пороговое значение, выходная мощность Р пропорциональна величине Поэтому можно записать, что

здесь — объем активной среды, — ее диаметр, I — ее длина, давление газа. При оптимальных рабочих условиях мы имеем теперь следующее: 1) для поддержания оптимальной электронной температуры разряда должно быть постоянным произведение ; например, 15 мм рт. ст. при ; 2) из-за ограничений на тепловыделение, связанных с необходимостью отвода тепла к стенкам трубки, существует оптимальное значение плотности тока, причем оно обратно пропорционально диаметру трубки То, что оптимальное значение должно существовать, можно понять, если заметить, что избыточная плотность тока приводит к избыточному нагреву смеси (даже если КПД = 20%, около 80% электрической мощности рассеивается в разряде в виде тепла), вследствие чего мы имеем тепловое заселение нижних лазерных уровней. Обратно пропорциональную же зависимость оптимального значения от можно объяснить, если принять во внимание то, что чем больше диаметр трубки, тем более затруднена

передача выделяющегося тепла к стенкам. Из этих рассуждений мы заключаем, что при оптимальных условиях и обратно пропорциональны величине , следовательно, в соответствии с выражением (6.10) оптимальное значение Р определяется лишь длиной трубки I. -лазеры с медленной продольной прокачкой относительно низкой мощности широко используются в лазерной хирургии, для подгонки резисторов, для резки керамических пластин в электронной промышленности и сварки тонких металлических листов (толщиной меньше 1 мм).

б) Лазеры с быстрой продольной прокачкой. Одним из возможных и практически очень интересных решений, позволяющим преодолеть ограничения на выходную мощность лазеров рассмотренного выше типа, является прокачка газовой смеси вдоль трубки с очень высокой сверхзвуковой скоростью (около 50 м/с). В этом случае теплота уносится просто путем удаления разогретой смеси, которая, прежде чем вернуться в трубку, охлаждается вне ее пределов в соответствующем теплообменнике. При этом плотность тока не имеет оптимального значения, мощность фактически возрастает линейно с увеличением и можно достичь значительно более высокой выходной мощности на единицу длины разряда и даже больше). Помимо охлаждения смесь за пределами трубки пропускается через катализатор, чтобы газ прореагировал с (некоторое количество уже имеется в смеси благодаря диссоциации в области разряда). Это обеспечивает необходимую регенерацию молекул . В этом режиме необходимая подпитка смеси крайне мала и можно добиться работы в полностью запаянном режиме. В настоящее время -лазеры с быстрой продольной прокачкой высокой мощности нашли широкое применение во многих операциях по обработке материалов и, в частности, для лазерной резки металлов (с толщиной до нескольких миллиметров).

в) Отпаянные лазеры. Если в устройстве, показанном на рис. 6.17, остановить прокачку газовой смеси, то через несколько минут генерация прекратится, поскольку продукты химической реакции (в частности, молекулы образующиеся в разряде, уже не удаляются, а поглощаются стенками трубки или начинают взаимодействовать с электродами, нарушая таким образом равновесие в смеси . В конечном счете это привело бы к диссоциации молекул Чтобы обеспечить

регенерацию молекул из в газоразрядной трубке отпаянного лазера должен находиться определенный катализатор. Для этого в газовую смесь можно просто добавить небольшое количество паров воды (около 1 %). В данном случае регенерация молекул осуществляется, по-видимому, благодаря следующей реакции:

в которой участвуют колебательно-возбужденные молекулы и Требуемое сравнительно небольшое количество паров воды можно получить, добавляя в разряд газообразный водород и кислород. В действительности оказывается, что в смесь необходимо добавлять только водород, поскольку кислород образуется в процессе диссоциации молекул Другая возможность инициирования реакции релаксации основана на использовании горячего никелевого катода, который выполняет роль катализатора. Применение этих методов привело к созданию отпаянных трубок с долговечностью более 10 000 ч.

Выходная мощность отпаянных лазеров с единицы длины составляет около т. е. значение которое дают и лазеры с продольной прокачкой газа. Маломощные (порядка отпаянные лазеры с коротким резонатором и поэтому работающие в одномодовом режиме нередко применяются в качестве гетеродинов в экспериментах по оптическому гетеродинированию. Отпаянные -лазеры несколько более высокой мощности (порядка привлекают внимание с точки зрения их использования в лазерной микрохирургии и для механической обработки микрорезанием.

г) Волноводные лазеры. Если диаметр лазерной трубки на рис. 6.17 уменьшить до нескольких миллиметров (2—4 мм), то лазерное излучение в трубке распространяется как в волноводе. Такие волноводные -лазеры имеют низкие дифракционные потери. Было показано, что наилучшие характеристики получаются с трубками, изготовленными из или Главным преимуществом волноводного -лазера является то, что благодаря небольшому диаметру отверстия давление смеси должно быть высоким (100—200 мм рт. ст.). Возрастание давления приводит к увеличению усиления на единицу длины. Это означает, что можно изготавливать короткие -лазеры , не сталкиваясь с трудной задачей уменьшения потерь в резонаторе. Однако мощность, которую можно снять с единицы длины разряда, подвержена тому же ограничению, что и мощность рассмотренного выше лазера с медленной продольной прокачкой Поэтому волноводные -лазеры играют особенно важную роль, когда имеется необходимость в коротких

компактных -лазерах низкой мощности (Р < 30 Вт) (например, для лазерной микрохирургии). Чтобы полностью реализовать возможности, связанные с компактностью этих лазеров, они работают, как правило, в отпаянном режиме. Конструкция лазера может быть такой, как на рис. 6.17, когда ток разряда протекает вдоль лазерной трубки, либо такой, как на рис. 6.18, когда электрический ток (обычно от высокочастотного источника) течет поперек трубки. При фиксированном значении электрического поля (из-за того, что величина должна быть постоянной) конструкция с поперечной накачкой имеет значительное преимущество перед продольной накачкой, поскольку она допускает намного более низкие (на один — два порядка величины) напряжения на электродах.

Рис. 6.18. Схематическое представление волноводного -лазера с накачкой ВЧ-полем.

Высокочастотное возбуждение обладает многими преимуществами, среди которых наиболее существенными, возможно, являются следующие: 1) в этой схеме отсутствуют постоянные анод и катод, и поэтому исчезают трудности, связанные с химическими процессами в газе вблизи катода; 2) благодаря включению последовательно с разрядом простых элементов, не рассеивающих энергии (например, диэлектрической пластины), обеспечивается устойчивый разряд. В силу этих различных преимуществ высокочастотные разряды все больше применяются не только в волноводных лазерах, но и в лазерах как с быстрой продольной прокачкой, так и с поперечной прокачкой, к рассмотрению которых мы и перейдем непосредственно. В качестве последнего замечания укажем, что трубку волноводного -лазера либо вообще не охлаждают, либо, если необходимо отбирать максимальную мощность, охлаждают воздушной струей.

д) Лазеры с продольной прокачкой. Другую возможность снять ограничения на мощность в лазере с медленной продольной прокачкой предоставляет прокачка газовой смеси перпендикулярно разряду (рис. 6.19). Если смесь прокачивать достаточно быстро, то, как и в случае лазера с быстрой продольной прокачкой, теплота уносится механически, а не путем переноса к стенкам. Поэтому насыщения выходной мощности при увеличении тока разряда не происходит, и можно достичь высоких выходных мощностей с единицы длины разряда (несколько см. также рис. 5.17), как и в лазерах с быстрой продольной накачкой. Следует заметить, что в этом случае оптимальное общее давление смеси (порядка 100 мм рт. ст.) теперь примерно на порядок выше, чем давление в системах с продольной прокачкой и большим диаметром трубки. Увеличение общего давления требует соответствующего увеличения электрического поля разряда. Действительно, для реализации оптимальных условий работы необходимо, чтобы во всех случаях отношение оставалось примерно одинаковым, поскольку это отношение определяет среднюю энергию электронов в разряде [см. (3.38)]. Однако при этом устройство с продольным разрядом типа показанного на рис. 6.17 оказалось бы непрактичным, поскольку оно потребовало бы очень высокого приложенного напряжения (100-500 кВ на длине разряда 1 м). Поэтому делают так, чтобы разряд протекал в направлении, перпендикулярном оси резонатора (эти лазеры называются ТЕ-лазеры, аббревиатура англ. transverse electric field). Одна из наиболее простых реализаций ТЕ-схемы рис. 6.19 показана на рис. 6.20. В данной конструкции катод имеет форму металлического стержня, а анод, чтобы достичь однородности разряда, выполнен в виде многих отдельных электродов (сегментный анод).

ТЕ -лазеры с быстрой поперечной прокачкой высокой выходной мощности широко применяются во многих приложениях, связанных с обработкой металла (резание, сварка, поверхностная закалка, поверхностное легирование металлов). По сравнению с лазерами с быстрой продольной прокачкой эти лазеры имеют более простую конструкцию, поскольку для поперечной прокачки не нужна большая скорость прокачки, как

Рис. 6.19. Схема устройства -лазера с поперечной прокачкой.

в случае продольной. Однако лазеры с быстрой продольной прокачкой имеют значительно лучшее качество пучка, поскольку у них ток разряда имеет цилиндрическую симметрию, что делает эти лазеры особенно привлекательными для механической обработки резанием.

е) -лазеры атмосферного давления с поперечным возбуждением [18]. В непрерывных -лазерах нелегко поднять давление выше ~ 100 мм рт. ст.

Рис. 6.20. (см. скан) Схематическое представление особенно простого -лазера с поперечной прокачкой.

В тлеющем разряде выше этого давления и при обычно используемых плотностях тока возникают неустойчивости, которые приводят к образованию дуги в объеме разряда. Для преодоления этого осложнения к электродам, между которыми происходит поперечный разряд, прикладывают импульсное напряжение. Если длительность импульса достаточно мала (доля микросекунды), то неустойчивости в разряде не успеют развиться и, следовательно, рабочее давление газа можно повысить вплоть до атмосферного и выше. Эти лазеры называются ТЕА-лазерами (аббревиатура англ. слов transversely excited at atmospheric pressure). Таким образом, TEA-лазеры работают в импульсном режиме и позволяют получать большой энергосъем с единицы объема разряда

Для предотвращения дугового разряда используется также тот или иной тип ионизации, которая предшествует возбуждающему импульсу напряжения (предыонизация). На рис. 6.21 приведена схема, которая часто применяется на практике и в которой ионизация обеспечивается сильным УФ-излучением нескольких искр, которые пробегают параллельно оси трубки. Излучение этих искр в дальней УФ-области приводит к необходимой ионизации посредством как фотоионизации составляющих смеси, так и благодаря индуцированной УФ-излучением эмиссии электронов из электродов (УФ-предыонизация).

Рис. 6.21. Схематическое представление (вид вдоль лазерной оси) лазера, накачиваемого поперечным разрядом с использованием УФ-излучения от искрового источника для предыонизации газа.

К другим методам предыонизации относятся использование импульсных источников электронного пучка (предыонизация электронным пучком) и ионизация благодаря коронному эффекту (коронная предыонизация). Как только произошла ионизация во всем объеме лазерного разряда, закорачивается быстродействующий вентиль (водородный тиратрон или разрядный промежуток) и через электроды разряда проскакивает главный разрядный импульс. Поскольку поперечные размеры лазерного разряда обычно велики (несколько сантиметров), то зеркала резонатора часто выбирают таким образом, чтобы они образовывали неустойчивый резонатор (неустойчивый конфокальный резонатор положительной ветви; см. рис. 4.41). При низкой частоте повторения импульсов (порядка 1 Гц) нет необходимости в прокачке газовой смеси. При более высоких частотах повторения импульсов (вплоть до нескольких килогерц) газовая смесь прокачивается

в перпендикулярном оси резонатора направлении и охлаждается в соответствующем теплообменнике. Другой интересной характеристикой этих лазеров являются их относительно широкие полосы генерации при атм благодаря столкновительному уширению). Таким образом в ТЕА-лазерах в режиме синхронизации мод были получены оптические импульсы длительностью менее 1 не. Помимо широкого использования TEA-лазеров в научных приложениях они находят многочисленные применения в промышленности для обработки материалов в тех случаях, когда импульсный характер пучка дает некоторое преимущество (например, импульсная лазерная маркировка).

ж) Газодинамический СО2-лазер [19]. Газодинамический -лазер заслуживает особого внимания, поскольку инверсия населенностей в нем создается не электрическим разрядом, а за счет быстрого расширения газовой смеси (содержащей предварительно нагретой до высокой температуры. Инверсия населенностей возникает в потоке в области расширения. В литературе имеются сообщения о том, что от газодинамических -лазеров были получены наиболее высокие мощности.

Принцип действия газодинамического лазера можно кратко описать следующим образом (рис. 6.22). Предположим, что вначале газовая смесь находится при высокой температуре (например, и высоком давлении (например, атм) в соответствующем резервуаре. Поскольку газ первоначально находится в термодинамическом равновесии, у молекулы будет большой населенность уровня (порядка 10% населенности основного состояния; см. рис. 6.22, б). Разумеется, по сравнению с этой населенность нижнего уровня является более высокой , следовательно, инверсия населенностей отсутствует. Предположим теперь, что газовая смесь истекает через какие-то сопла (рис. 6.22, в). Поскольку расширение является адиабатическим, температура поступательного движения смеси становится очень низкой. За счет -релаксации населенности как верхнего, так и нижнего лазерных уровней будут стремиться к новым равновесным значениям. Однако, поскольку время жизни верхнего уровня больше времени жизни нижнего, релаксация нижнего уровня произойдет на более ранней стадии процесса расширения (рис. Таким образом, ниже по потоку от зоны расширения будет существовать достаточно широкая область с инверсией населенностей. Протяженность этой области приближенно определяется временем, необходимым для передачи возбуждения от молекулы молекуле При этом оба лазерных зеркала выбирают прямоугольной формы и их располагают гак, как показано на рис. 6.22, в. Такой способ создания инверсии населенностей будет эффективным лишь в

(кликните для просмотра скана)

том случае, когда в процессе расширения температура и давление смеси понижаются за время, которое 1) мало по сравнению с временем жизни верхнего лазерного уровня и 2) велико по сравнению с временем жизни нижнего лазерного уровня. Чтобы удовлетворить этим условиям, расширение должно проходить со сверхзвуковыми скоростями (число Маха ~4). В заключение следует заметить, что начальную высокую температуру газовой смеси получают за счет сгорания специально подобранного топлива (например, сгорания и или бензола с закисью азота при этом автоматически образуется смесь в отношении 2:1).

Согласно опубликованным данным, от газодинамических -лазеров можно получить выходную мощность до причем химический КПД составляет Непрерывный режим работы такого лазера был получен лишь в течение короткого времени (несколько секунд), что связано с сильным нагревом отдельных элементов (например, зеркал) лазерным пучком. Вследствие трудностей, возникающих при работе со сверхзвуковым истечением, промышленные применения для газодинамических лазеров пока не найдены. Наше короткое рассмотрение здесь имело целью подчеркнуть интерес к самой идее создания инверсии населенностей путем газодинамического расширения.