9. Некоторые другие способы создания инверсной населенности уровней энергии в лазерах

Рассмотрим сначала способы получения инверсии населенностей, в которых для накачки используется тепловая и химическая энергия.

9.1. Газодинамический лазер

Примером использования для накачки тепловой энергии является газодинамический - лазер. Инверсия населенностей в системе колебательных уровней энергии молекулы возникает в этом случае как следствие адиабатического охлаждения движущегося газа.

Смесь углекислого газа с другими определенным образом подобранными газовыми компонентами предварительно нагревается, а затем выпускается через сопло (канал) специальной формы, в котором она приобретает сверхзвуковую скорость. При этом происходит адиабатическое охлаждение рабочей смеси газов, в процессе которого опустошение некоторых уровней идет быстрее, чем уровней более высокой энергии, и между ними возникает инверсия населенностей.

Лазеры газодинамического типа были созданы также на молекулах и КПД всех этих лазеров сравнительно невелик ( 1%), т.к. доля тепловой энергии, идущей на возбуждение рабочего газа, относительно мала. Основная часть энергии, высвобождающейся при адиабатическом расширении газовой смеси в сопле, переходит в кинетическую энергию поступательного движения молекул в истекающей из сопла струе.

9.2. Химические газовые лазеры

В химических газовых лазерах накачка осуществляется энергией, освобождающейся при перестройке химических связей, которая происходит в процессе экзотермических реакций (идущих с выделением тепловой энергии).

Продукты реакций часто образуются в возбужденных состояниях (такие молекулы называют горячими). Возникновение инверсии населенностей возможно либо в совокупности горячих молекул, либо на переходах (обычно - колебательных) молекул газа, не принимавшего непосредственного участия в химической реакции, но получивших необходимую для возбуждения энергию от горячих молекул. Молекулы рабочего газа называют в этом случае холодными.

Наибольший интерес представляют химические лазеры, действие которых основано на самоподдерживающихся реакциях. К ним относятся цепные реакции и реакции, протекающие по механизму теплового воспламенения (взрывные).

Механизм действия химических лазеров во многих случаях связан с переходами в возбужденные состояния (в системе колебательных уров-ней энергии) двухатомных молекул. Такие состояния возникают в результате экзотермических реакций замещения вида:

A + BC  + C + E. (9.2.1)

Здесь - возбужденная молекула, которая возникла в результате реакции, а E - выделившаяся при реакции энергия (за вычетом энергии, которая пошла на возбуждение молекулы AB ).

В результате реакции (9.2.1) образуется газ возбужденных молекул находящихся в разных колебательных состояниях (на разных возбужденных колебательных уровнях). Средняя величина колебательной энергии значительно превышает часть полной энергии газа, которая приходится на поступательные и вращательные степени свободы. Состояние такого газа - неравновесное, и он является активной средой, в которой инверсия населенностей возникает обычно на целом ряде колебательных переходов.

В процессе работы лазера первоначальная рабочая смесь реагирующих веществ (газов) претерпевает необратимые изменения. Поэтому для обеспечения длительной работы она нуждается в непрерывном возобновлении.

Рассмотрим в качестве примера лазера, в котором механизм возобновления реагирующих веществ основан на цепной реакции, лазер на фтористом водороде, или HF-лазер.

Активной средой HF-лазера является газ возбужденных молекул Лазер может генерировать на нескольких колебательно-вращательных переходах в полосе длин волн 2,6 - 3,3 мкм, позволяет получить высокую мощность в непрерывном режиме (до  10 кВт) и значительную энергию - в импульсном (до нескольких кДж).

Основным процессом, в результате которого идет образование возбужденных молекул является химическая реакция:

F +  + H. (9.2.2)

Для протекания этой реакции в рабочей смеси должно быть обеспечено присутствие атомарного фтора. Поэтому исходная газовая смесь помимо водорода (или водородосодержащего газа) должна включать газ, молекула которого содержит фтор или др.).

Атомарный фтор появляется в рабочей смеси в результате диссоциации фторсодержащей молекулы. Для этого используется нагрев (термическая диссоциация), импульсное УФ облучение (импульсный фотолиз), газовый разряд, электронная бомбардировка.

Рассмотрим, как пример, электронную бомбардировку. При этом идут реакции типа:

+ e  + F + e. (9.2.3)

Если в исходной рабочей смеси присутствует молекулярный фтор то его недиссоциировавшие молекулы реагируют с атомарным водородом, образовавшимся в реакции (9.2.2):

+ H  + F. (9.2.4)

Эта реакция приводит к возобновлению в рабочей смеси атомарного фтора, который взаимодействует с молекулой Снова идет реакция (9.2.2), и появляется как новая возбужденная молекула так и новый атомарный водород H. Такой процесс и представляет собой цепную реакцию. Каждый следующий шаг этой реакции приводит к возникновению новых возбужденных молекул и в результате их общее число в активной смеси генерирующего лазера становится значительно больше первоначального количества частиц атомарного фтора F, инициировавших цепную реакцию.

HF-лазер действует как в импульсном, так и в непрерывном режимах. В первом случае атомарный фтор создается импульсами электрического разряда, УФ излучения, сильноточного электронного пучка. Во втором (в непрерывном лазере) обычно используется термическое инициирование реакции. Молекулы газообразного фтора термически диссоциируют в плазмотронном нагревателе. Образовавшийся газ атомарного фтора выпускают через сопло, в котором он приобретает сверхзвуковую скорость. На выходе из сопла к нему примешивают “горючее” - молекулярный водород с которым атомарный фтор вступает в реакцию (9.2.2).

Другие лазеры того же типа действуют на основе реакций:

H +  + Cl. (9.2.5)

H +  + Br. (9.2.6)

Cl + HI  + I. (9.2.7)

Необходимые в этих случаях атомарный водород (H ) и хлор (Cl ) обычно получают с помощью электрического разряда в потоках молекулярного водорода (хлора) низкого давления. Все эти лазеры имеют сравнительно большие выходные мощности и удовлетворительные КПД.

Эффективность химических лазеров характеризуют двумя видами КПД. Один из них - химический КПД Так называют отношение энергии полученного лазерного излучения ко всей энергии, выде-лившейся в процессе используемой химической реакции. Употребляют

__________

Плазмотрон - устройство для создания плотной (с давлением порядка атмосферного) низкотемпературной плазмы (T  с помощью электрических разрядов в газах разных видов.

также электрический КПД Он характеризует отношение энергии лазерного излучения к той энергии, которая была затрачена на инициирование (возбуждение) химической реакции, лежащей в основе действия лазера. В результате реакции может выделиться энергия, превышающая затраченную на ее возбуждение. Поэтому величина не имеет принципиального верхнего предела и может превышать 100%.

Некоторые экспериментально реализованные HF-лазеры имели величину которая превышала 90%. Величину же в случае HF-лазера удавалось довести до 10%.