9.2.3. Молекулярные газоразрядные ОКГ

Атомные и ионные газоразрядные ОКГ имеют низкий к. п. д., так как вследствие высокого расположения верхних рабочих уровней эффективность электронной накачки мала. Поэтому для повышения к. п. д. газоразрядного ОКГ желательно, чтобы рабочие уровни были расположены ниже. Кроме того, газовые ОКГ, обладая преимуществами перед твердотельными ОКГ по качеству излучения (спектральная чистота и пространственная когерентность), уступали им по к. п. д. Использование молекулярных газов позволило газовым ОКГ превзойти твердотельные как по к. п. д., так и по мощности излучения в инфракрасном диапазоне.

При возбуждении молекулярных газов спектр излучения получается значительно сложнее, чем в атомных и ионных системах. В общем случае переходы будут осуществляться между различными электронно-колебательно-вращательными уровнями молекулы. Это дает возможность получения генерации на значительно большем числе линий, чем в атомах. В настоящее время число лазерных переходов, реализованных при возбуждении различных газов и др.), очень велико.

Из молекулярных ОКГ на электронных переходах

наибольший интерес представляют лазеры на второй положительной системе азота, генерирующей в ультрафиолетовой области спектра (0,337 мкм) с импульсной мощностью до и лазеры на водороде, излучающие в вакуумно-ультрафиолетовой области

ОКГ на колебательных и вращательных переходах дают генерацию в инфракрасной области.

Рис. 9.6. Схема колебательных уровней

Из большого числа веществ наибольшее значение имеют ОКГ на углекислом газе

Молекула имеет линейную симметричную структуру и характеризуется тремя типами колебаний: — продольное симметричное (атомы О), — деформационное (атомы О и С) и — продольное асимметричное (атомы О и С). Энергетическая схема нижних колебательных уровней этой молекулы, приведена на рис. 9.6. Обозначив основное состояние молекулы как различные колебательные уровни можно обозначить и т. д. Генерация в молекуле наблюдалась на переходах Для этих переходов характерно то, что время жизни нижнего уровня значительно меньше, чем верхнего. Релаксационный переход молекул с нижнего лазерного уровня в основное состояние происходит в результате столкновений через уровень Колебательно-вращательный переход дает инфракрасное излучение около 10,6 мкм,

а переход около 9,6 мкм. Квантовый выход этих переходов соответственно равен 40 и

Следует отметить, что верхний рабочий уровень расположен над основным на расстоянии всего (у атомных и ионных ОКГ на порядок или на два порядка выше). Возбуждение колебательных состояний молекул происходит за счет электронного удара. Эффективность накачки резко повышается при добавлении азота за счет столкновений II рода. Молекулы азота в ОКГ на используются как переносчики колебательной энергии. Энергия их возбужденных колебательных уровней почти равна энергии уровня молекулы Поэтому благодаря столкновениям с молекулами азота молекулы переходят из основного состояния на верхний рабочий уровень. Таким образом, этот резонансный процесс осуществляет эффективное и избирательное возбуждение молекул на уровень Кроме передачи энергии азот осуществляет также передачу тепла от рабочего газа к охлаждаемым водой стенкам трубки, так как теплопроводность его выше, чем Добавление азота к привело к повышению мощности излучения на несколько порядков.

Еще более эффективный теплоотвод достигается при добавлении гелия к смеси газов Кроме того, гелий ускоряет релаксацию нижнего лазерного уровня за счет соударений. Релаксация нижнего лазерного состояния может быть также повышена добавкой небольших количеств воды. При давлении равном 3 мм рт. ст., азота, равном 3 мм рт. ст., и гелия — около 20 мм рт. ст. получена генерация в непрерывном режиме с удельной мощностью излучения на длины разряда на длине волны 10,6 мкм. Рабочий к. п. д. в этом случае достигает 20%. Конструкция ОКГ на приведена на рис. 9.7.

Эффективность работы ОКГ на как и других молекулярных ОКГ, очень сильно зависит от температуры, поэтому для обеспечения высоких выходных мощностей и к. п. д. необходимо осуществлять интенсивный теплоотвод от зоны разряда. Это достигается с помощью либо водяного охлаждения трубки, либо прокачкой охлажденной газовой смеси через область разряда трубки.

Выходная мощность ОКГ на может достигать при к. п. д. около На некоторых ОКГ при

меньшей выходной мощности достигнут к. п. д. около 30%.

Получение высоких выходных мощностей ограничено качеством оптических элементов резонатора. Действительно, при столь высокой плотности излучения оптические материалы, имеющие даже небольшое поглощение на длине волны генерации, будут быстро выходить из строя вследствие перегрева и разрушения.

Рис. 9.7. Конструкция молекулярного ОКГ на : 1 — окно; 2 — зеркало конфокального резонатора; 3 — прокладка; 4 — снльфон; 5 — микрометрический винт для юстировки; разряд в азоте; 7 — область соударений; 8 — электроды.

Поэтому проблема создания высококачественных оптических элементов Для инфракрасного диапазона (выходные окна, полупрозрачные зеркала) является первостепенной при разработке мощных ОКГ на

Благодаря большой выходной мощности ОКГ на находят широкое применение при решении различных технологических задач: сварка, резка, пайка различных диэлектрических материалов и металлов. Поскольку излучение ОКГ на попадает в окно прозрачности атмосферы, то эти ОКГ могут быть использованы в системах связи и локации.