Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 22
Текст из файла (страница 22)
6Д. Упрощенная схема энергетических уровней лазера дальнего ИК-диапазона (СНКР). В качествеизлучения накачки используется Р (20)-линия СО,-лазера при 9,5 мкм (4'= вращательное квантовое число, К= квантовое число; см. текст) Основное состояние ч=с .1=М 12 -Е 419 МКМ 492 мкм 12 11 з.з.з грг з, лк-з„„, ~~в~~в Тва иве ьд.
КОММЕРЧЕСКИЕ ЛаЗЕрЫ даЛЬНЕГО ИК-дИаПаЗОНа, ПрИВЕдЕННЫЕ в порядке увеличения длин волн длине волны, мкм Тин лазера Тип лазера длина волны, мкм 255 375 433 460 496 570 599 764 890 1020 1022 3 СН,ОО СН,ОО СН,ОН СН,ОН СН,ОН СНзЫНз СН,ОН СОзОО СН,ЫНз СО ОО СО,ОО СНЕ НСООН СО,1 СН,Е СН,ОН СН,ОН СНЕ С НГ 41,0 46,7 57,0 70,6 96,5 118,8 148,5 163,0 184,0 198,0 229,1 Лазеры дальнего ИК-диапазона с злекптрической накачкой 6.2. СО,-лазеры Одним из самых распространенныхлазеров, широко применяемых в промышленном производстве (в частности, при обработке материалов), является СО,-лазер.
Он отличается высокой мощностью почти до 100 кВт в непрерывном режиме и большим кпд на уровне 10 — 20 %. Конкретно для научных исследований могут быть предложены версии малой могдности ниже 1 Вт; медики предпочитаютлазеры мошностью порядка Возбуждение в газовых разрядах возможно в случае лазеров дальнего ИК-диапазона только при наличии устойчивых молекул с простой структурой. Это объясняется тем, что более крупные молекулы диссоциируют в разряде. Первые молекулярные лазеры дальнего ИК-диапазона функционировали с продольными газовыми разрядами. Речь идет, в частности, о Н,О-, НС!М- и 1СХ-лазерах, способных создать волну длиной макс.
774 мкм. Позднее начали использовать также поперечные разряды — по типу таковых у ТЕА-СО,-лазеров = газовых лазеров атмосферного давления с поперечной накачкой (п. 6.2). Здесь в качестве примера можно назвать СН,Г-лазер. Одним из самых популярных лазеров дальнего ИК-диапазона с электрической накачкой считается НСХ-лазер с самыми интенсивными линиями 31! мкм и 337 мкм. Излучение при этом возникает между колебательно-вращательными уровнями молекулы СНМ. Соответствующие величины мощности приведены в таблице 6.1. Вот важнейшие области применения таких лазеров: обладающая высоким разрешением спектроскопия молекул и атомов Ридберга, спектроскопия твердых тел, исследование магнитно-оптических феноменов и диагностика плазм. Обращение с лазерами дальнего ИК-диапазона и относящейся сюда измерительной техникой требуют определенных знаний, почерпнуть которые можно из специальной литературы.
Лазерные зеркала для дальнего ИК-диапазона чаще всего исполняются из ХпБе, Я или специального кристаллического кварца. Лазерный пучок должен выходить из центрального отверстия. Здесь находят применение и отражатели из проволочной сетки. (~Щ6 Глава 6. Молекулярные инфракрасные лазеры (иразеры) 10 Вт.
В импульсном режиме обычно генерируются лазерные импульсы в диапазоне от наносекунд до миллисекунд. При использовании в области )шерного синтеза достигается энергия импульсов до 100 кДж. Существует большое число конструктивных исполнений СО,-лазера, имеющих как техническое, так и коммерческое значение. Длина волны СО,-лазера находится в инфракрасном диапазоне от 9 до 11 мкм. Процессы возбуждения в газовых разрядах Молекула СО, состоит нз трех атомов в линейном расположении, причем атом С находится как раз посередине.
При этом, как видно из рис. 6.3а, молекула может выполнять колебания трех разных видов, а именно: (а) с изгибом, (б) симметричные линейные и (в) асимметричные линейные. Итак, образуются три серии колебательных состояний, которые начинаются с уровней (010), (100) и (001). Лазерное излучение исходит от (001)-уровня, причем создаются длины волн 9,6 мкм и 10,6 мкм. Переходы заканчиваются на уровнях (020) и (100). Активная среда лазера состоит из газовой смеси СО)-Ж)-Не, возбуждаемой посредством газового разряда. Населенность верхнего лазерного уровня достигается частично путем столкновения электронов разряда.
Более важным представляется возбуждение на основе столкновений с метастабильными молекулами )ч)г (рис. 6.3а), образующимися в газовом разряде. В результате этого процесса заполняется только верхний лазерный уровень, что приводит к инверсии населенностей, вызывающей вынужденное излучение. а), б), 1 в) ам а.л Й а,з о. нэ а,г Сгалкнавение 1 Сталкнаиение электронов э а мкм эа,амкм аы эаа аэа со,)ааа) ь )э ссг б ) а,а ч аааг йагледавагельнмеэанм оэ (эаа ),и к а.ч а1'1 о. .Сгалннавение аааэ ) «Горячая эона» аз а 'а а г ~ э Сгалкнавениеэлектранав г Регулярные ( ' — эанм агга(,аа э (1ааа),) аэ'а аеас Рис. 6.3.
(а) Упрогпенная схема энергетических уровней Соглазера. Возбуждение верхнего лазерного уровня ссугдествляется посредством столкновений (второго рода) с метасгабильными молекулами )Чэ. Образуются многочисленные лазерные линии 9,6 мкм или ) 0,6 мкм (б) Подробная схема энергетических уровней Сот-лазера Лазерное излучение может появиться в двух диапазонах длин волн — 9,6 мкм и 10,6 мкм — в зависимости от того, на каком колебательном уровне происходит переход. На рис. 6.3а представлена упрощенная схема энергетических уровней, отображающая только так называемые регулярные зоны. Они состоят из более чем ста линий, поскольку колебательные уровни расщеплены вращениями (рис. 6.4).
Помимо этого, существуют еще последовательные зоны и «горячие зоны», отображенные в более подробной схеме энергетических уровней на рис. 6.3б. У стандартных СО,-лазеров непрерывного действия присутствует, как правило, только диапазон длин волн 10,6 мкм. Причина этого заключается в быстром обмене энергией между участвующими уровнями, о чем упоминается в разделе «Непрерывные и импульсные лазеры». Примечательной особенностью можно считать высокую квантовую эффективность порядка 45 %, которую нетрудно заметить на схеме уровней (рис. 6.4). Этим легко объясняется и высокий общий кпд, отображающий преобразование электрической энергии в оптическую.
3000 — 1 — — 31 27 23 2500 я н и Б о. З н) 28 24 28 20 24 16 20 ( ага) ( (0(00) 1500 Резонанс Ферми Рве. 6.4. Расщепление переходов Активная среда СО,-лазера содержит — наряду с СО, и )х(г — в целом, от 60 до ВО % гелия, который, однако, непосредственно не участвует в процессе генерации лазерного излучения. Его задачей является повышение давление в лазерной трубке. При этом стабильность разряда улучшается, и температура газовой смеси устанавливается на величине, благоприятной для генерирования.
Далее, нижний лазерный уровень опустошается в результате столкновений с гелием. Азот выполняет аналогичную задачу — подобно гелию в Не-Ме-лазере, то есть молекулы Х, возбуждаются в результате электронных столкновений в разряде и затем передают свою энергию молекулам СОР Возбуждение Возбуждение молекул СО, в верхний лазерный уровень (001) происходит частично посредством неупругих столкновений с электронами разряда.
При этом эффективное поперечное сечение для данного процесса больше, чем для возбуждения нижних лазерных уровней (100) и (020). Это объясняется тем, что здесь оптически разрешен переход (000) -+ (001). Наряду с прямым возбуждением большое значение имеет также резонансная передача энергии посредством метастабильных молекул Н, для инверсии населенностей. При этом говорят о столкновениях второго рода. Молекулы М, очень интенсивно возбуждаются в газовом разряде.
Молекулярный азот не имеет перманентного электрического дипольного момента, поэтому оптические переходы между колебательными уровнями одного и того же электронного состояния запрещены, что объяснятся правилом отбора по четности (п.!.4). Колебательные уровни основного электронного состояния Ы, с и = 1, 2, и т.д. являются поэтому метастабильными.
В силу этого обстоятельства такие уровни действуют как аккумуляторы энергии, способные возбуждать молекулы СО, согласно следующему уравнению реакции: (6.1) )Ч, (в = 1) + СО, — > Х, + СО, (001) ч ЛЕ. Данное уравнение описывает передачу энергии регулярным зонам СО,-лазера (рис. 6.3а).
Процесс передачи энергии согласно (6.1) весьма эффективен, поскольку энергетические уровни до ЛЕ = 18 см' почти равны. Имеющаяся разница значительно меньше тепловой энергии )гТ = 200 см ' при 300 К. Данный резонансный обмен энергией вследствие столкновения второго рода очень эффективен, так как и молекулы Х, в более высоких колебательных состояниях при о = 2 могут передавать энергию молекуле СОг Согласно рис. 6.3б происходит — аналогично (6.1) — заселение (00'2)-уровня СОг В результате лазерное излучение может возбуждаться в последовательных зонах.
Схема энергетических уровней Упрощенное представление энергетических уровней на рис. 6.3а дополняется более точным изображением на рис. 6.3б. Здесь принимаются условные обозначения, приведенные в п. 1.4 (рис. 1.11). Колебательные состояния молекулы СО, определяются посредством квантовых чисел: (ор,' е,). (6.2) Квантовые числа во пп и, соответствуют трем возможным колебаниям, возникающим независимо друг от друга. Индекс ! показывает степень вырождения и свидетельствует о папи чин вращающего момента вырожденного изгибного колебания.
При возбуждении обоих взаимно ортогональных колебаний (с пяи и из п. 1.4) при определенном положении фазы колебаний возникает вращение и вращающий момент. Квантовое число ! может принимать положительные значения: Энергия колебаний согласно уравнению (1.10) составляет: 1(г'; = 1351,2 см' для симметричного линейного колебания, )(г; — '672,2 см 'для колебания с продольным изгибом и яу'; ='2396,4 см' для асимметричного линейного колебания.
Суммарная колебательная энергия молекул СО, в гармоническом приближении выглядит так: Е,= (о, + и) )(У; + (и, + и) )(7; + (в, + и) )(уг (6.4) Проблема СО,-лазера касается опустошения нижних лазерных уровней, представляющих собой комбинацию из (1О'О) и (02'О). Время жизни при излучательных переходах достигает нескольких миллисекунд, что достаточно много. То же относится и к гелий-неоновым лазерам, причем здесь заметную роль играют столкновения со стенкой трубки.
Аналогичный случай наблюдается также у СО,-лазера, где имеет место опустошение указанных уровней вследствие столкновений с другими молекулами, причем особое значение приобретает именно гелий. При этом происходит опустошение также и промежуточного уровня (01'О), а не только верхних уровней. В довершение еше и теплопроводность гелия довольно велика, что вызывает понижение температуры разряда. Все это приводит к уменьшению термической населенности нижних уровней СО,-лазера. Верхний лазерный уровень имеет квантовые числа (00'1), от него исходят регулярные зоны.
Дополнительно в газовом разряде возбуждается следующий колебательный уровень (00'2), что приводит к последовательным зонам. В отношении населенности колебательных уровней (00'л) действует распределение Больцмана, причем достигаются эффективные температуры примерно до 3000 К. Время жизни на возбужденных (00'л) уровнях составляет около 2 мс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
