3.5. Молекулярные лазеры

Молекулярным называется газовый лазер, в котором лазерные переходы происходят между уровнями энергии молекул.

Молекулярные спектры намного сложнее атомных, так как движение внутри молекул носит более сложный характер, чем внутри атомов. Кроме движения электронов относительно ядер атомов, входящих в состав молекулы, имеют место колебательное движение самих ядер около их положений равновесия и вращательное движение всей молекулы как целого. Каждое ограниченное движение микрочастиц квантуется. Поэтому трем видам движения в молекуле – электронному, колебательному и вращательному – соответствуют три типа квантовых состояний и уровней энергии. Внутренняя энергия молекулы Е с достаточной точностью может быть представлена в виде суммы квантованных значений энергии электронного, колебательного и вращательного движений:

Е = Е_эл+Е_кол+Е_вр. (3.4)

Величины Е_эл,Е_кол и Е_вр связаны между собой соотношениями

Е_эл :Е_коп :Е_вр = , (3.5)

где т_е – масса электрона; М_я – масса ядер всех атомов, составляющих молекулу.

Если принять во внимание, что = 10^-3 ÷ 10^-5, а величина Е_эл равна нескольким электронвольтам, то Е_кол ~ 10^-1 ÷ 10^-2 эВ, а Е_вр ~ 10^-3 ÷ 10^-5 эВ. Поэтому система уровней внутренней энергии молекулы – это совокупность далеко отстоящих друг от друга электронных уровней, между которыми на значительно более близком расстоянии друг от друга расположены колебательные уровни, между которыми с еще большей плотностью расположены вращательные уровни. Энергия колебательного движения как малое возмущение приводит к расщеплению электронных уровней. В свою очередь энергия вращательного движения как малое возмущение приводит к расщеплению колебательных уровней, что и отражено без соблюдения масштаба на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Схематическое (без соблюдения масштаба) изображение системы уровней внутренней энергии молекулы CО₂: A – электронные уровни, В –колебательные уровни, С – вращательные уровни;

и примеры типов переходов между этими уровнями: 1 – злектронно–колебательно–врашательный (вибронный) 2 – колебательно–вращательный, 3 – вращательный.

С учетом изложенного выше, возможны три типа переходов между уровнями энергии молекулы: первый – переход между колебательно–вращательными уровнями различных электронных состояний – электронно–колебательно–вращательный (вибронный); второй – переход между колебательно–вращательными уровнями одного и того же электронного состояния – колебательно– вращательный; третий – переход между двумя вращательными уровнями одного и того же колебательного состояния – вращательный переход (на рис. 3.11. они обозначены цифрами 1, 2 и 3 соответственно). Длина волны излучения при вибронных переходах обычно попадает в ультафиолетовую область спектра. Так, на вибронных переходах работают азотный ( = 337 нм) и эксимерные лазеры. Последние имеют, однако, много особенностей, что заставляет выделить их из всей массы молекулярных лазеров в отдельный класс. Длина волны генерации, соответствующая вращательным переходам, попадает в дальний ИК – диапазон (25 мкм – 1 мм). В лазерах, работающих на вращательных переходах, получить генерацию достаточно сложно, так как релаксация между вращательными уровнями совершается, как правило, с очень большой скоростью. Такие лазеры не нашли промышленное применение. На колебательно – вращательных переходах работают СО₂– и СО–лазеры. В общем случае таким переходам соответствуют длины волн генерации в среднем и дальнем ИК–диапазонах. Генерация СО₂ – лазера осуществляется на длинах волн 10,6 и 9,6 мкм. СО–лазер генерирует в диапазоне длин волн от 5,0 до 6,5 мкм. СО₂ и СО–лазеры нашли широкое применение. В СО₂–лазерах в качестве лазерного вещества используется смесь газов – СО₂, N₂ и Не; в СО–лазерах – смесь газов – СО, N₂ и Не или СО, Хе.