6.3.3.2. СО-лазер

Другим примером газового лазера на колебательно-вращательных переходах, который мы кратко рассмотрим, является СО-лазер. Этот лазер привлек значительный интерес в связи с тем, что он генерирует на более короткой, чем -лазер, длине волны мкм), а также имеет высокий КПД и высокую выходную мощность. Экспериментально достигнутые [20] выходные мощности таких лазеров превышают а КПД - 60 %. Однако, чтобы осуществить лазер с такими параметрами, газовую смесь приходится охлаждать до низких температур (77—100 К). В генерацию лазера при к мкм дают вклад несколько вращательно-колебательных переходов [например, при температуре начиная с переходов и кончая переходами сильно возбужденной молекулы

Накачка колебательных уровней молекулы осуществляется возбуждением электронным ударом. По аналогии с изоэлектронной молекулой молекула обладает необычно большим

сечением возбуждения колебательного уровня электронным ударом. При этом почти 90 % энергии электронов в разряде может быть преобразовано в колебательную энергию молекул Другая важная особенность молекул состоит в том, что скорость VV-релаксации у них существенно больше, чем скорость VT-peлаксации (которая необычно мала). Вследствие этого населенность высоколежащих колебательных уровней не будет подчиняться больцмановскому распределению, поскольку в данном случае очень большую роль играет процесс, известный как ангармоническая накачка. Хотя данное явление не позволяет получить полную инверсию населенностей колебательных уровней молекулы здесь возможна так называемая частичная инверсия. Это иллюстрируется на рис. 6.23, на котором показаны населенности вращательных уровней двух соседних колебательных состояний. Хотя полные населенности двух колебательных состояний одинаковы, мы видим, что инверсия существует для двух переходов Р-ветви и двух переходов -ветви, указанных на рисунке. Таким образом, при частичной инверсии может возникать генерация; в этом случае важную роль играет новое явление, называемое каскадной генерацией. Действительно, генерация вызывает уменьшение населенности вращательного уровня верхнего состояния и увеличение населенности вращательного уровня нижнего колебательного состояния. Последний из упомянутых уровней в процессе генерации может накопить достаточную населенность, чтобы образовалась инверсия по отношению к вращательному уровню более низкого колебательного состояния. В то же время населенность

Рис. 6.23. Частичная инверсия между двумя колебательными переходами , имеющими одинаковые полные населенности.

вращательного уровня верхнего состояния может значительно уменьшиться, вследствие чего возникает инверсия населенностей между этим уровнем и вращательным уровнем более высокого колебательного состояния. Процесс каскадного взаимодействия с очень низкой скоростью -релаксации приводит к тому, что большая часть колебательной энергии переходит в энергию выходного излучения лазера. Данное обстоятельство, а также очень высокая эффективность возбуждения обусловливают высокий КПД СО-лазера. Для того чтобы ангармоническая накачка была высокоэффективной, температура рабочей смеси должна быть низкой. Действительно, отклонение распределения населенностей от больцмановского, а следовательно, и степень частичной инверсии быстро увеличиваются с понижением температуры поступательного движения.

Как и в случае -лазера, СО-лазер работает с продольной прокачкой газовой смеси, в импульсном поперечном электрическом разряде с предыонизацией электронным пучком, а также при газодинамическом возбуждении. Промышленное производство СО-лазеров пока сдерживается необходимостью его работы при низких температурах. Однако недавно были построены СО-лазеры, работающие при температуре, близкой к комнатной, и сохраняющие высокий дифференциальный КПД (20-30 %), и теперь СО-лазеры всерьез рассматриваются в качестве реального источника для приложений в медицине и обработке материалов.