3. Физика со2-лазеров.
Молекулярные лазеры ИК диапазона работают на колебательно-вращательных переходах молекул СО2 и СО. СО2 - лазер имеет один из самых высоких КПД (около 30%) среди всех лазеров. В качестве лазерной среды применяется смесь гелия, азота и диоксида углерода. Лазерный переход происходит между двумя колебательными состояниями молекулы СО2, азот обеспечивает эффективную накачку, а гелий – эффективный теплоотвод.
Механизм образования инверсии населённостей состоит в следующем: ускоряемые электрическим полем электроны газоразрядной плазмы при столкновениях возбуждают колебания молекул N2, которые, в свою очередь, сталкиваясь с молекулами CO2, возбуждают их. Молекула CO2 представляет собой линейную молекулу с тремя основными типами колебаний (рис. 1) Лазерное излучение возникает при переходах между колебательно-вращательными уровнями в основном электронном состоянии (рис. 2). Из-за расщепления колебательных уровней на различные вращательные уровни молекулы CO2 возможно большое количество переходов в диапазоне 9,6 и 10,6 мкм.
Наибольшее усиление имеют линии, длина волны которых близка 10,6 мкм, поэтому лазер без дисперсионного элемента работает на этой длине волны. Для возбуждения лазера обычно используется продольный тлеющий разряд постоянного тока. Выходная мощность лазеров малой и средней мощности составляет 5 ÷ 40 Вт, расходимость – 1 ÷ 5 мрад.
СО - лазер работает в интервале длин волн 5 ÷ 6,5 мкм. Он обладает еще большим КПД (50 ÷ 75 %), сравнимыми с СО2 - лазером уровнями мощности, также может перестраиваться в широком диапазоне длин волн. Рабочая смесь газов содержит гелий, азот, ксенон и кислород. Схема СО-лазера, практически такая же, как и СО2-лазера, но механизм возбуждений и схема колебательных уровней имеют свои отличительные особенности. Схема энергетических уровней представлена на Рис. 3. Двухатомные молекулы обладают, только одной серией колебательных уровней. В импульсных или непрерывных газовых разрядов возбуждение этих уровней может достигаться за счет столкновения электронов с СО, но как и в СО2-лазере, к СО добавляют азот. Азот передает полученную энергию молекулам СО, усиливая при этом возбуждение. Из-за этого, почти 90% энергии газового разряда переходит в энергию возбуждения. У СО-лазера квантовый выход может достигать высоких значений, потому что нижний лазерный уровень определенного перехода, может стать верхним лазерным уровнем другого перехода (по каскадному принципу). Минусом СО-лазера является то, что он сильно нагревается, за счет чего становиться не стабильным. Поэтому для создания СО-лазера требуется эффективное охлаждение газа. Для охлаждения используют жидкий азот температурой порядка 70 К. Из-за этого конструкция СО-лазера несколько усложнена и малоприменима по сравнению с СО2-лазера.
Рис. 1. Три фундаментальные моды колебаний молекулы СО2: ν1 – симметричная валентная мода, ν2 – деформационная мода, ν3 – асимметричная валентная мода.
Рис. 2. Упрощенная схема энергетических уровней СО2-лазера.
Рис. 3. Схема энергетических уровней СО и СО2 лазеров.
Будем обозначать колебательные состояния молекулы СО2 набором трех колебательных квантовых чисел: ν1, ν2, ν3. Эти числа равны кратности возбуждения соответственно симметричных, деформационных и ассиметричных колебаний молекулы. Так например, колебательное состояние (020) (ν1 = 0, ν2 = 2, ν3 = 0) есть состояние, в котором двукратно возбуждены деформационные колебания и не возбуждены симметричные и асимметричные колебания.
Теперь перейдем к пояснению Рис. 2, где показаны уровни молекулы СО2, отвечающие трем разным типам колебаний, а также первый возбужденный колебательный уровень молекулы азота. Верхним рабочим уровнем является уровень (001); нижним – уровни (100) и (020). На переходе от (001) к (100) генерируется излучение с длиной волны 10,6 мкм, а на переходе от (001) к (020) – с длиной волны 9,6 мкм. Релаксация уровней (020) и (100) происходит за счет передачи энергии невозбужденным молекулам СО2 – с накоплением молекул в состоянии (010). Далее релаксация уровня (010) происходит за счет газокинетической передачи энергии атомам гелия. Таким образом, неупругие столкновения СО2 (010) со специально вводимыми в газовую смесь добавками играют важную роль в создании инверсии. В связи с этим СО2-лазеры относят к столкновительным лазерам.
Так же говоря о создании инверсии в СО2-лазере стоит отметить необходимость обеспечения оптимального отношения Е/Р (Е – напряженность поля в области положительного столба заряда, Р – давление газовой смеси), при котором сечения электронного возбуждения молекул N2 и уровня (001) молекул СО2 были бы достаточно большими, а сечения возбуждения уровней (100), (020), (010) молекул СО2 относительно малыми. На Рис. 4 приведены зависимости доли энергии, передаваемой электронами плазмы в различные колебательные степени свободы, от отношение Е/Р для конкретной ситуации, когда парциальные давления азота и двуокиси углерода равны. Приведенные кривые показывают, что оптимальные значения Е/Р лежат в области 5-10 В/см*мм.рт.ст.
Рис. 4. График зависимости долей энергии от Е/Р для различных колебательных уровней
Таким образом, необходимая для создания инверсии селективность заселения верхних и очищения нижних рабочих уровней в СО2-лазере обеспечивается на практике введением в активную среду азота и специальных добавок (в определенных пропорциях) и, кроме того, подбором оптимальной величины отношения Е/Р.