L_17_2

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
1
V-1
2
E
V+1
1
2
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 диапазоне
V=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:
 BV J '( J ' 1) 
 BV 1 J ''( J '' 1) 
N  NV BV exp  
  NV 1BV 1 exp  

kT
kT




Для P-ветви ( J '  J ; J ''  J
 1) выполняется условие частичной инверсии:
 BJ ( J  1) 
 BJ ( J  1) 
exp  

exp


  0  N  0
kT
kT




Газовые лазеры: СО лазер
V+1
V
V
V-1
V-1
V
основная частота
V-1
V-2
V-2
каскадная генерация
первый обертон
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 частоте
V=2: первый колебательный обертон
Вероятность обертонных переходов существенно меньше вероятности
переходов на основной частоте - на обертонных переходах заметно меньше
и коэффициент усиления
В условиях 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 колебательновращательных 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
излучения прежде всего в импульсном
режиме
Получение генерации как
можно с более высоких
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