6,3.3.3. Азотный лазер [21]

В качестве наиболее интересного примера лазеров на элек­тронно-колебательных переходах рассмотрим Ыг-лазер. Этот ла­зер имеет наиболее важную линию генерации на длине % = 337 нм (УФ) и относится к типу лазеров на самоограни­ченных переходах. Импульсный азотный лазер широко исполь­зуется для накачки лазеров на красителях.

На рис. 6.24 показана схема соответствующих энергетиче­ских уровней молекулы N₂. Генерация происходит на так назы­ваемой второй положительной системе полос, т. е. на переходе из состояния С³П« (будем далее называть его С-состоянием) в состояние ВЩ_ё (В-состояние) ¹\ Предполагается, что возбужде­ние С-состояния обусловлено столкновениями молекул N2, на­ходящихся в основном состоянии, с электронами. Поскольку как

так и 5-состояния являются триплетными, переходы в них из

*> При других условиях генерация может осуществляться также в ближ­ней ИК-области спектра^ (0,741—1,23 мкм), на первой положительной систе­ме полос на переходе В П,

_s

о сновного состояния запрещены по спину. Однако согласно прин­ципу Франка — Кондона можно ожидать, что сечение возбужде­ния уровня v = 0 С-состояния будет больше, чем сечение воз­буждения уровня v = 0 В-состояния. Действительно, положение минимума потенциальной кривой В-состояния сдвинуто в об­ласть, соответствующую большему межъядерному расстоянию, чем в случае С-состояния. Время жизни (излучательное) С-со-

^иМежьядерноераетянщ'л

Рис. 6.24. Энергетические уровни молекулы N2. Ради простоты для каждого электронного состояния показан лишь самый нижний колебательный уровень

(у= 0),

стояния равно 40 не, тогда как время жизни /^-состояния — 10 мкс. Поскольку условие (5.25) не выполняется, лазер, оче­видно, не может работать в непрерывном режиме. Однако воз­можна генерация в импульсном режиме при условии, что дли­тельность возбуждающих электрических импульсов значительно меньше 40 не. Генерация происходит преимущественно на не­скольких вращательных линиях перехода v"(0) v'(0)_t соответ­ствующего X = 337,1 нм. Помимо того что данный переход нахо­дится, как уже упоминалось, в благоприятных условиях по от­ношению к процессу накачки, он имеет наибольший фактор Франка—Кондона. Генерация имеет место, хотя и с меньшей интенсивностью, также на переходах v"(l)-v'(0) (Я = = 357,7 нм) и v"(0) ->и'(1) (К= 315,9 нм).

Наиболее часто используемая конструкция N₂ очень

близка к той, что изображена на рис. 6.21. Поскольку в этом

i у

случае внешнее электрическое поле имеет высокую напряжен­ность (> 10 кВт/см для типичной смеси N₂ при давлении ~ 40 мбар и Не при 960 мбар), обычно применяется ТЕ-схема. Чтобы обеспечить требуемый короткий разрядный импульс (5— 10 не), индуктивность разрядного контура должна быть как мо­жно меньше. Чтобы добиться этого, разрядный конденсатор на рис. 6.21 фактически делают в виде ряда безындукционных кон­денсаторов, смонтированных вдоль разрядной трубки как можно ближе к электродам разряда. Вследствие высокого усиления са­моограниченного перехода генерация представляет собой уси­ленное спонтанное излучение и лазер может работать вообще без зеркал. Однако с целью уменьшения пороговой электриче­ской мощности [ср. (2.153) и (2.153а)], а также получения од­нонаправленного излучения в этом лазере с одного из концов устанавливают зеркало. При этом уменьшается также расходи­мость выходного пучка, которая становится равной отношению поперечного размера разряда к удвоенной длине резонатора. Такие лазеры позволяют получать пиковые мощности вплоть до ~ 1 МВт в импульсах длительностью ~ 10 нс при частоте по­вторения до 100 Гц. Частота повторения ограничивается тепло­выми эффектами. Не так давно были разработаны ^-лазеры, работающие при атмосферном давлении ¹>. Проблему возникно­вения дугового разряда предотвращают дальнейшим уменьше­нием длительности импульса напряжения (до ~ 1 нс). Благо­даря возросшему усилению на единицу длины и малому вре­мени разряда лазеры этого типа обычно работают без зеркал. Длину устройства можно сделать очень короткой (10—50 см) и, как следствие, получить выходные импульсы меньшей длитель­ности (~ 100 пс при пиковой мощности 100 кВт). Азотные ла­зеры как с большой (~ 10 нс), так и с малой (-100 пс) дли­тельностью импульсов широко применяются для накачки лазе­ров на красителях во множестве научных приложений, главным образом в спектроскопии.