4.3.2. Лазеры на окиси углерода

Лазеры на окиси углерода работают на фундаментальных переходах и переходах первого обертона при 5,0 и 2,7 мкм соответственно и представляют наиболее известные примеры использования V — V-накачки молекул. Возбуждаемые электрическим разрядом СО-лазеры остаются до сих пор самыми эффективными среди известных лазерных систем, работающих в непрерывном режиме. В разд. 4.3.2.1 на примере СО-лазера мы рассмотрим некоторые из широко распространенных применений представленных в разд. 4.2 принципов молекулярного обмена энергией.

4.3.2.1. Газодинамические СО-лазеры

Газодинамический СО-лазер — это тот редко встречающийся пример лазерной системы, рабочие характеристики которой были

промоделированы и рассчитаны с высокой точностью еще до создания самого устройства. Первые газодинамические СО-лазеры были запущены Мак-Кензи [71, 73] и Уоттом [129]; однако, прежде чем сконструировать реальное устройство, Мак-Кензи выполнил точные расчеты, которые впоследствии он опубликовал в работе [72].

Как Мак-Кензи, так и Уотт получили свои результаты с использованием сверхзвукового сопла, запускаемого при помощи ударной трубы, причем конструкция сверхзвукового сопла во многом аналогична тем, которые применялись в исследованиях расширяющихся газовых смесей рассмотренных в разд. 4.3.1. В работе Мак-Кензи лазер был выполнен на основе сверхзвукового осесимметрического сопла с полууглом раскрытия 10°. Зеркала устанавливались в различных местах вдоль потока таким образом, что их оптическая ось была перпендикулярна оси потока. Равновесные температура и давление в форкамере, из которой газовая смесь поступала в сопло, составляли 1000 К и 100 атм. Максимальный кпд около 0,2% был достигнут для сопла со степенью раскрытия При расширении через сверхзвуковое сопло поступательная температура газа спадает вниз по потоку так быстро, что V — Т-процессами можно пренебречь уже в непосредственной близости от критического сечения. Согласно оценкам, внутри оптического резонатора при степени раскрытия сопла поступательная температура газа находится в интервале 20—30 К. При этом энергия, замороженная внутри колебательной моды, должна соответствовать равновесному распределению с температурой, значительно превышающей 1000 К. Такие условия являются идеальными с точки зрения создания чрезвычайно мощной V — V-накачки и образования частичной инверсии между довольно низко расположенными квантовыми состояниями. Это подтверждается детальным исследованием спектрального распределения выходного излучения, из которого следует, что лазерное излучение распределено по вращательным линиям различных колебательных переходов фундаментальной полосы СО от до Лазерные переходы, начинающиеся с являются

нетипичными для других типов мощных СО-лазеров, в активной среде которых поступательная температура выше, чем в газодинамических системах.

Известная из литературы максимальная мощность генерации таких лазеров составляет 120 Вт. Потенциально возможный кпд газодинамических СО-лазеров значительно превосходит кпд хорошо известных газодинамических -лазеров [2]. Однако высокие кпд достигаются при значительно больших степенях раскрытия сверхзвукового сопла. Степень раскрытия сопла в газодинамическом СО-лазере в 50 раз превышает соответствующую величину для СО2-лазера.