Газовые лазеры: СО лазер
Отличительной особенностью молекулы СО является большое сечение возбуждения колебательных состояний при столкновениях с электронами – в разряде до 90% энергии электроном может быть преобразовано в колебательную энергию
При включении продольного электрического разряда сначала происходят столкновения молекул СО с электронами:
CO(0) e CO(V ) e, Vmax =5-8
Далее молекулы СО сталкиваются между собой, обмениваясь колебательной Энергией (VV-обмен):
CO(V ) CO(U ) CO(V n) CO(U n) E
В результате VV-обмена одна молекула переходит на более низкий колебательный уровень, а другая – на более высокий
Газовые лазеры: СО лазер Экзотермический процесс:
CO(V ) CO(V ) CO(V 1) CO(V 1) E
Эндотермический процесс:
CO(V 1) CO(V 1) CO(V ) CO(V ) E
W2=W1exp(- E/kT) - принцип детального равновесия для вероятностей
обоих процессов
Энергетически более выгодным является экзотермический процесс
Высвобождающаяся при этом энергия соответствует дефекту энергии, который обусловлен ангармонизмом колебательных состояний
При n=1 процесс называется одноквантовым, при n=2, 3, 4 … - двухквантовым, трехквантовым и т. д.
Газовые лазеры: СО лазер
V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E |
|
|
|
|
|
|
V+1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
1 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
V-1 
V
Когда населенность нижних колебательных уровней поддерживается на некотором уровне в результате столкновений с электронами, процесс VV-обмена приводит к забросу электронов вверх по колебательным уровням
При комнатной температуре максимально возможным заселенным колебательным квантовым числом является V=20, а при охлаждении до температуры жидкого азота V=35-40
Вероятность VT-релаксации мала по сравнению с вероятностью VV-обмена на нижних уровнях СО и увеличивается с ростом номера V
Зависимость населенностей колебательных уровней от их номера – распределение Тринора
Газовые лазеры: СО лазер |
NV |
Распределения Тринора при трех температурах |
Область плато |
T3 |
T2 |
T1 |
V |
Газовые лазеры: СО лазер
Процессы асимметричного обмена:
CO(V ) CO(U) CO(V m) CO(U n) E, m n
Наибольшие сечения имеют асимметричные процессы типа:
CO(1) CO(U ) CO(0) CO(U 2) E
Асимметричные процессы оказывают заметное влияние на итоговое распределение населенностей по колебательными состояниям
Асимметричные процессы могут быть как экзотермическими, так и эндотермическими, и их вероятности также связаны между собой принципом детального равновесия
Для моделировании процессов энергообмена между различными состояниями молекулы СО получается система динамических уравнений, в которой нужно учитывать несколько процессов для нескольких десятков колебательных уровней
Газовые лазеры: СО лазер
В области плато NV NV 1
При комнатной температуре область плато находится в диапазонеV=10-20, а при температурах жидкого азота V=5-40
В области плато нельзя говорить об инверсной населенности по колебательным состояниям
Разность населенностей соседних колебательно-вращательных уровней:
|
|
|
B J '(J ' 1) |
|
|
|
B |
J ''(J '' 1) |
|
||
N N B exp |
|
V |
|
N |
B |
exp |
|
V 1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
V V |
|
|
kT |
|
V 1 V 1 |
|
|
kT |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Для P-ветви (J ' J; J '' J 1) выполняется условие частичной инверсии: |
|||||||||||
|
BJ (J 1) |
|
BJ (J 1) |
|
N 0 |
|
|||||
exp |
|
|
|
exp |
|
|
0 |
|
|||
|
|
kT |
|
|
kT |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Газовые лазеры: СО лазер
V+1
V |
V |
V
V-1 |
V-1 |
основная частота
V-1
|
|
V-2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
первый обертон |
|
|
|
V-2 |
|
|
каскадная генерация |
||
Газовые лазеры: СО лазер
Каскадная генерация - электрон, переходя последовательно вниз по колебательным уровням, многократно участвует в излучательных процессах
Вследствие каскадной генерации очень большая доля колебательной энергии переходит в энергию излучения → большие величинам КПД лазеров на окиси углерода
V=1: переходы на основной частотеV=2: первый колебательный обертон
Вероятность обертонных переходов существенно меньше вероятности переходов на основной частоте - на обертонных переходах заметно меньше
икоэффициент усиления
Вусловиях селективной генерации получена генерация на первом колебательном обертоне. На втором обертоне коэффициент усиления настолько мал, что генерацию получить не удается
Газовые лазеры: СО лазер
В первую очередь наблюдаются переходы, соответствующие максимальной населенности вращательных уровней (для низкотемпературных лазеров J=12-15)
Диапазон генерации лежит в области 2.5-7.5 мкм
В селективном режиме можно выделять любую из колебательно- вращательных линий
Наиболее простой конструкцией является схема с продольной прокачкой
В непрерывном режиме достигаются мощности излучения в несколько десятков Вт/м при давлении газа порядка 100 Торр
ТЕА СО-лазерымогут работать в импульсных режимах, в том числе, в режиме синхронизации мод
Газовые лазеры: СО лазер
Тенденции современных разработок
Достижение больших мощностей |
Получение генерации как |
излучения прежде всего в импульсном |
можно с более высоких |
режиме |
колебательных уровней |
Поиск оптимального состава газовой смеси
Основное достоинство лазера на окиси углерода
Диапазон длин волн его генерации попадает в области прозрачности атмосферы, что обусловливает широкие области применения этого лазера
Основной недостаток лазера на окиси углерода
Промышленное использование СО-лазеров сильно ограничено необходимостью поддержания активной среды при низких температурах