4.3.2.2. Электроразрядные СО-лазеры

Первые СО-лазеры, излучающие на переходах колебательной полосы молекулы, были созданы в виде электроразрядных систем Пателом и Керлом [90]. Эти авторы наблюдали импульсную лазерную генерацию на переходах колебательных полос основного электронного состояния СО от до Впоследствии Пател [8], а также Соммэр и др. [59] сообшили о получении непрерывной генерации на переходах от до СО-лазеры были во многом аналогичны первым СО2-лазерам, разработанным также Пателом. В них молекулярный азот возбуждался электрическим разрядом в отдельной боковой трубке и затем смешивался с окисью углерода в лазерном резонаторе, снабженном зеркалами. Лазерная генерация происходила на длинах волн, соответствующих фундаментальной полосе лежащей в ИК области спектра вблизи 5 мкм. В типичном случае лазерный резонатор представлял собой стеклянную трубку диаметром около 1 см и длиной Газы протекали через трубку со скоростью нескольких метров в секунду. Обычно выбирались низкие давления газа; парциальные давления N2 и Не составляли несколько мм рт. ст., а давление СО — несколько десятых мм рт. ст.

Первые образцы таких электроразрядных СО-лазеров имели максимальную мощность генерации около 2 Вт. Было замечено, что в каждой из лазерных полос излучение распределено по нескольким вращательным линиям Р-ветви, а при использовании зеркал с широкой полосой отражения генерация наблюдалась одновременно на нескольких полосах. Отсутствие генерации на линиях Л-ветви указывает на то, что между соседними колебательными состояниями не возникает полной инверсии населенностей. Пател в работе [89] подробно рассмотрел условия, при которых осуществляется лазерная генерация в этой системе.

Было также замечено, что на мощность генерации сильно влияет охлаждение лазерной трубки; при этом мощность увеличивается. Пател и Керл [90] охлаждали лазерные трубки водой или метанолом.

Первоначально интерес к этим системам был ограничен, поскольку полученные в непрерывном режиме мощности генерации -лазеров составляли лишь небольшую часть от мощности, которую можно было получить в тех же устройствах, но на смеси Однако в 1968 г. Осгуд и Эпперс [85, 86] сообщили о создании СО-лазера, в котором была получена мощность генерации для разрядной трубки диаметром 1 см и длиной 150 см. Созданный этими авторами СО-лазер является прототипом систем, применяемых в настоящее время. Для своей работы такому лазеру не требуется азот, а протекающая через систему газовая смесь состоит из и Не с парциальными давлениями соответственно 0,2,

0,04 и 6 мм рт. ст. Тлеющий разряд постоянного тока горит непосредственно в лазерной трубке. Расположенные на концах трубки зеркала образуют оптический резонатор. Наиболее важным является то, что максимальная мощность в таком устройстве получена при охлаждении стенок трубки жидким азотом. В работах Осгуда и Эпперса был сразу достигнут электрический кпд (отношение мощности генерации к мощности электрического разряда постоянного тока). Впоследствии в таких системах был получен кпд [16]. В настоящее время небольшие охлаждаемые СО-лазеры выпускаются серийно и широко применяются в лабораторной практике. Однако в связи с необходимостью охлаждения возникают трудности при масштабировании таких систем, что, разумеется, влияет на полную эффективность системы. Следует также заметить, что указанные выше очень высокие кпд СО-лазеров относятся к случаю, когда генерация происходит в широком интервале частот. При этом лазерное излучение может быть распределено более чем по 30 колебательно-вращательным линиям в диапазоне длин волн мкм. Если же в лазере для создания условий генерации только на одной линии используется частотно-селективный элемент, то кпд такой системы оказывается относительно низким хотя и появляется возможность получения генерации на дополнительных линиях.

Общие характеристики работы электроразрядного лазера, в особенности то, что генерация излучения появляется лишь на Р-ветвях полос, связанных с высоколежашими ангармоническими колебательными уровнями (что предполагает существование только частичной инверсии), а также сильная зависимость мощности и кпд

от охлаждения — все это указывает на то, что основным механизмом образования инверсии населенностей является V — V-накачка высоколежащих колебательных состояний молекулы СО. В последние годы это было подтверждено различными прямыми измерениями. На рис. 4, взятом из работы [63], показаны результаты прямого измерения колебательных населенностей молекулы СО в СО-лазере с охлаждаемыми стенками. Это распределение населенностей было получено с использованием монохроматора, который позволял разрешать спектральные линии спонтанного излучения колебательно-вращательных полос СО первого обертона Излучение СО-лазера наблюдалось из торцевого окна разрядной трубки длиной Населенность колебательного состояния строилась в зависимости от колебательного квантового числа На рис. 4 мы видим обусловленное V — V-накачкой плато, которое начинается при и соответствует образованию частичной инверсии.

Усиление слабого сигнала, вычисленное на основе распределений, аналогичных представленным на рис. 4, хорошо согласуется с наблюдаемыми характеристиками СО-лазера. Общие свойства измеренных функций распределения хорошо согласуются также с теоретической моделью образования инверсии населенностей, основанной на представлениях о возбуждении молекулы СО прямым электронным ударом с последующим быстрым V — V-обменом. Данные, подобные тем, что представлены на рис. 4, соответствуют кинетическим моделям СО-лазера. Результаты расчетов по одной из таких моделей и приведены на рис. 4. Детали этих модельных расчетов кратко рассмотрены в разделе 4.3.2.4.

В начале 1970-х годов были проведены широкие инженерные разработки электроразрядных СО-лазеров. Этой теме посвяшено несколько детальных обзоров [30, 68, 119]. Высокая эффективность СО-лазеров позволяет предполагать возможность масштабирования этих систем к высоким мощностям. В результате были построены большие электроразрядные СО-лазеры. Все такие системы, работающие в непрерывном режиме, для поддержания низкой температуры в полости резонатора используют быстрое расширение и поток газа. Басовым и др. [11, 12] были разработаны импульсные системы, в которых использовалась предыонизация электронным пучком. Непрерывные и импульсные электроразрядные СО-лазеры работают как на полосах первого обертона (переходы с при 2,7 мкм), так и на полосах фундаментальных переходов [10, 15]. Рассмотренный выше механизм образования инверсии является общим для всех этих систем.