ВВЕДЕНИЕ В КВАНТОВУЮ И ОПТИЧЕСКУЮ
.pdf
Молекула CO2 имеет 3 следующих типа колебаний:
1.Симметричный тип колебания. Атомы кислорода колеблются вдоль оси молекулы симметрично относительно атома углерода.
2.Асимметричный (антисимметричный) тип колебания. При этом атом углерода колеблется вдоль продольной оси молекулы.
3.Деформационные типы колебания. В этом случае атом углерода колеблется в направлении, перпендикулярном продольной оси молекулы. Данный тип колебания является двукратно вырожденным, поскольку при этом имеется два взаимно перпендикулярных направления колебаний.
Все вышеперечисленные типы колебаний обозначаются соответственно тремя
цифрами: ν 00 0; 0 00 ν ; 0 ν l 0. В этих обозначениях ν - число квантов, запасенных в данном виде колебаний (номер колебательного уровня), а l – поляризация деформационного колебания. Если число ν стоит первым в тройке цифр, то этот уровень соответствует симметричному типу колебаний. Когда не равна нулю последняя цифра, то это означает, что уровень относится к асимметричному виду колебаний, а когда средняя – к деформационному колебанию. Расстояния между колебательными уровнями одного вида колебаний всегда одинаковы, то есть их спектр является эквидистантным.
Основное состояние молекулы CO2 обозначается 0 00 0 (рис. 8.8).
0 00 1
|
10.6 мкм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9.6 мкм |
|
||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 00 0 |
|
|
|
|
0 22 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 20 0 |
|
|
0 11 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||
0 00 0
Рис.8.8. Схема уровней в молекулярном лазере на CO2
Самым низшим возбужденным уровнем молекулы CO2 является уровень 0 11 0 (деформационное колебание). Далее идут 0 20 0, 0 22 0, 1 00 0, 0 00 1, и так далее. Обычно частоты переходов между различными колебательными состояниями молекул
лежат в миллиметровой и инфракрасной области спектра. В лазерах на CO2
используются колебательно-вращательные переходы 0 00 1 → 1 00 0 и 0 00 1 → 0 20 0 (λ = 10.6 и 9.6 мкм, соответственно).
Инверсия населенностей в стационарном режиме на колебательновращательных переходах молекулы CO2 реализуется за счет того, что скорость разрушения колебательных состояний 1 00 0 и 0 20 0 много больше скорости разрушения состояния 0 00 1. Вероятность перехода молекулы с уровня 1 00 0 вниз возрастает при введении в газовую смесь атомов гелия, которые при столкновении с CO2 разрушают это состояние. Вероятность же разрушения состояния 0 00 1 при столкновениях с He мала.
Возбуждение молекул CO2 на верхние уровни для достижения инверсии населенностей осуществляется, в основном, за счет столкновений 2-го рода. В качестве вспомогательного газа используется азот, молекулы которого N2 находятся на возбужденных колебательных уровнях (рис. 8.9).
ν = 2
ν = 1 |
|
|
|
0 00 1 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
1 00 0
ν = 0 |
|
|
|
0 00 0 |
|
|
|||
|
N2 |
|
CO2 |
|
|
|
|||
Рис. 8.9. Колебательные энергетические уровни молекул азота и углекислого газа и схема, поясняющая переходы для лазера на CO2
В газоразрядных лазерах на CO2 реализуется высокий коэффициент полезного действия, достигающий 30 %. Это объясняется тем, что, во-первых, отношение энергии излучаемого кванта к необходимой для возбуждения верхнего рабочего уровня составляет ~0.4. Во-вторых, почти вся энергия электронов газового разряда идет на возбуждение как молекул N2, так и самих CO2. Кроме того, колебательные уровни молекул азота являются эквидистантными. Практически любое возбужденное состояние молекулы N2 способно передать колебательный квант невозбужденной молекуле CO2, переходя в ближайшее нижнее состояние. Таким образом, одна молекула N2, переведенная в самое верхнее колебательное состояние, может при столкновениях возбудить несколько молекул CO2.
Особенностью молекулы CO2 является большое время жизни верхнего лазерного уровня 0 00 1. Благодаря этому верхний уровень в отсутствие генерации служит накопителем возбужденных молекул. Поэтому в лазерах на молекулах CO2 с модуляцией добротности резонатора возможно получение мощных моноимпульсов.
9.СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1.Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника: Учебник для вузов. – М.: Высш.
шк., 2001. – 573 с.
2.Волноводная оптоэлектроника / Под ред. Т. Тамира. - М.:Мир,1991. - 575 с.
3.Ярив А., Юх П. Оптические волны в кристаллах. - М.: Мир, 1987. - 616 с.
4.Коваленко Е.С., Пуговкин А.В., Тихомиров А.А. Введение в квантовую электронику. – Томск: Изд-во ТГУ, 1974. – 432 с.
5.Пихтин А.Н. Физические основы квантовой электроники и оптоэлектроники. – М.:
Высш. шк., 1983. –304 с.
6.Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники. – Киев: Высш. шк., 1988. – 383 с.
7.Семенов А.С., Смирнов В.А., Шмалько А.В. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации. - М.: Высш. шк., 1990. - 225 с.
8.Интегральная оптика / Под ред Тамира Т.: М.: Мир, 1978. - 520 с.
9.Клэр Ж. Введение в интегральную оптику. М.: Сов. радио, 1980. - 104 с.
10.Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1990. – 316 с.
11.Пойзнер Б.Н. Физические основы лазерной техники: Учебное пособие. Томск: Томский государственный университет, 2006. – 208 с.
12.Звелто О. Принципы лазеров. М.: Мир, 1990. –560 с.
13.Справочник по лазерной технике: Пер. с нем. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 544 с.
14.Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике: Учебное руководство. – М.: Наука, 1988. – 336 с.
15.Химические лазеры / Под ред. Н.Г. Басова. – М.: Наука, 1982. – 370 с.
16.Мэйтленд А., Данн М. Введение в физику лазеров. - М.: Наука, 1978. – 408 с.
17.Справочник по лазерной технике / Под ред. Ю.В. Байбородина, Л.З. Криксунова, О.Н. Литвиненко. – Киев: Техника, 1978. – 288 с.
18.Ярив А. Квантовая электроника: Пер. с англ. / Под ред. Я.И. Ханина. – 2-е изд. –
М.: Сов. Радио, 1980. – 488 с.
19.Ищенко Е.Ф.. Открытые оптические резонаторы: некоторые вопросы теории и расчета. – М.: Сов. Радио, 1980. – 208 с.
20.Хакен Г. Лазерная светодинамика: Пер. с англ. – М.: Мир, 1988. – 350 с.