Молекулярні лазери |
Газові лазери |
По типу переходу, який використовується для генерації молекулярні ОКГ діляться на три класи.
1.Лазери на коливально-обертальних переходах, які використовують переходи між коливальними рівнями одного (як правило основного) електронного стану. Оскільки відстань між коливними рівнями має порядок десятих та сотих еВ, то ці лазери працюють в середньому ІЧ діапазоні (5–300 мкм). Найбільш важливі представники це CO2- лазери (10,6
і9,5 мкм); хімічний HF- лазер (λ≈2,7-3,3 мкм); CO – лазер (λ≈5 мкм).
2.Лазери на електронно-коливальних переходах, в яких
використовуються переходи між коливальними рівнями різних електронних станів. Діапазон генерації УФ- область спектру. Найбільш важливий представник - азотний ОКГ (λ=337 нм).
3. Лазери на чисто обертальних переходах. Використовуються переходи між різними обертальними рівнями одного коливального стану (як правило, збудженого коливального рівня основного електронного стану). Діапазон генерації далекий ІЧ- діапазон (25мкм –1мм). Їх роль не значна.
Молекулярні лазери Газові лазери СО2 – лазер.
У лазері використовується суміш CO2, N2, He. Гелій уводиться в суміш для зниження її температури. Молекула CO2 має три частоти власних коливань, яким відповідають рівні Е1, Е2, Е3. Заселеність цих рівнів у газовому розряді відбувається внаслідок :
1– збудження молекули CO2 при зіткненнях зі швидкими електронами;
2– за рахунок резонансної передачі збудження від молекули азоту до молекули CO2.
Газорозрядний СО2 – лазер.
Молекула CO2 є лінійно-симетричною і в ній можливі три коливальні рухи, які породжують три коливальні моди: симетрична-валентна; деформаційна; асиметрична-валентна (рис. а). Коливні стани молекули описуються трьома квантовими числами: q1,q2,q3, які визначають кількість квантів з власними частотами 1, 2, 3 в кожній коливній моді. Деформаційна мода є подвійно виродженою, а кратність виродження вказується верхнім індексом.
Газорозрядний СО2 – лазер. Молекулярні лазери Газові лазери
Схема робочих енергетичних рівнів CO2 лазера подібна до схеми He-Ne лазера (узагальнена трирівнева схема другого роду). Але за ефективністю перетворення енергії вона перевершує He-Ne у тисячу разів. Причиною цього є оптимальність схеми енергетичних рівнів CO2, яка дозволяє затрачувати на генерацію одного фотону лише вдвічі більшу енергію (в 20-40 разів для He-Ne та Ar+ схем).
Крім цього у схемі молекули CO2 відбувається ефективне
заселення верхнього лазерного рівня, у тому числі за рахунок допоміжного газу N2, та ефективне спустошення нижнього лазерного
рівня, використовуючи додатковий газ He.
Газорозрядний СО2 – лазер. Молекулярні лазери Газові лазери
Індуковане випромінювання в лазері на CO2 викликане переходами Е5 – Е4 і Е5 – Е3. Особливістю лазера на CO2 є
великий час життя верхнього рівня (близько 2,6·10-3 с), завдяки чому цей рівень при відсутності генерації служить накопичувачем енергії, яка при миттєвому увімкненню
добротності резонатора вивільняється у вигляді потужного імпульсу. Найбільш інтенсивним є перехід на довжині хвилі 10,6 мкм, який може майже повністю подавляти лазерну генерацію на довжині хвилі 9,6 мкм.
Газорозрядний СО2 – лазер. Молекулярні лазери Газові лазери
Заселення верхнього лазерного рівня (0001) відбувається за рахунок трьох процесів:
1.Зіткнення з електронами, при якому CO2 збуджується з рівня (0000) на рівень (0001) (процес 1 на рис.).
2.Резонансна передача енергії від збудженої молекули N2 до молекули CO2, що призводить до переходу електрона з основного стану (0000) на рівень (0001) (процес 2 на рис.), а N2 переходить із збудженого у незбуджений стан. За
енергією вільних електронів порядку 2 еВ та їх концентрації порядку 1010 см-3
можуть бути збуджені 40-80% молекул N2. Крім того, вищі рівні молекули N2
(q=2,3,4,5,...) знаходяться в резонансі з відповідними рівнями молекули CO2, що призводить до виникнення третього каналу заселення рівня (0001).
3. Зіткнення збудженої молекули CO2, яка знаходиться в стані q=2,3,4,5,... з незбудженими молекулами CO2 призводить до поступової з кожним зіткненням релаксації збудженої молекули до стану (0001) при переході незбуджених
молекул в стан збудження на верхній лазерний рівень (0001).
Газорозрядний СО2 – лазер. Молекулярні лазери Газові лазери
Спустошення нижнього лазерного рівня також відбувається завдяки декільком процесам:
1.Перший збуджений рівень (0110) деформаційної моди ефективно релаксує при зіткненнях із атомами He, що суттєво зменшує час життя до 20 мкс. Крім цього, He є легким газом з високою теплопровідністю
іефективно охолоджує CO2 газ передаючи тепло стінкам газової колби.
2.Другим механізмом спустошення нижнього лазерного рівня є релаксація між обертальними проміжними рівнями основного електронного стану молекули CO2.
Газорозрядний СО2 – лазер. Молекулярні лазери Газові лазери
В сукупності всі вищевказані процеси обумовлюють найвищий серед газових лазерів ККД CO2 лазера (до 40%).
Оптимальне співвідношення газів CO2:N2:He коливається від 1:1:8 для лазерів низького тиску до 1:1:1,5 для лазерів високого тиску.
Лазер генерує в області двох спектральних ліній: 10,6 мкм та 9,6 мкм. Перша радіаційна лазерна лінія має більший коефіцієнт підсилення і, відповідно, виникає першою. Для генерації в області другої лінії необхідно використовувати додаткові засоби селекції.
Газорозрядний СО2 – лазер. Молекулярні лазери Газові лазери
Потужність газорозрядних CO2 лазерів з повздовжнім накачуванням складає 50 -- 100 Вт/м при діаметрі трубки 1,5 см. Потужні промислові CO2 лазери в безперервному режимі здатні генерувати випромінювання в десятки кВт, а в імпульсному -- до 1014 Вт з тривалістю імпульсу менше 1 нс.
Газорозрядні трубки CO2 лазерів мають діаметр від 2 до 10 см, довжина досягає декількох метрів.
Можуть використовуватися модульні конструкції з струмом розряду до декількох А при напругах до 10 кВ на секцію.
Газодинамічний СО2 – лазер. Молекулярні лазери Газові лазери
Активним середовищем в таких лазерах є газові суміші молекул CO2 та CO, N2 та N2O, O2, H2O та He, Ne, Ar, Kr.
В основному газодинамічні лазери використовують газову суміш N2
(80-90%) об'ємних долів, CO2 (5-10%) і пари H2O (1-2%).
Газова суміш після згорання під тиском біля 17 атм випускається через надзвукові сопла з діаметром біля 0,8 мм зі швидкістю 4 одиниці Маха.
Після проходження через сопло, газ адіабатично розширюється і його температура швидко знижується з 1500К до 300К.