Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 23
Текст из файла (страница 23)
При опустошении одного из (00'я) уровней во время генерации лазерного излучения очень быстрый процесс релаксации (т = 100 нс) обеспечивает столкновения СО,-СО, для поддержания распределения Больцмана. Оба нижних лазерных уровня лишь весьма приближенно обозначены на рис. 6 За, но в рис. 6.36 внесены некоторые уточнения, а именно: (10'1), и (10'!) „.
Уровни (10'л), „регулярных (и = О) и последовательных (л = 1) зон представляют собой наложение двух плотно прилегающих друг к другу колебательных уровней (1О'и) и (02'и) (резонанс Ферми), в результате чего образуются два диапазона лазерного излучения — 10,4 мкм и 9,4 мкм. Иными словами, (1О'О), и (10'О) „, например, есть две разных комбинации состояний (1О'О) и (02'О). Иногда нижние лазерные уровни вместо (10'О), и (10 О) „обозначают проще: (10 О) и (02 О) — см. рис. 6.3а. Энергетические уровни (00'1), (00'2),...
не полностью эквидистантны (ангармонический осциллятор), поэтому линии излучения, исходящие от более высоких уровней (последовательные линии), в отличие от регулярных линий, несколько сдвинуты. Наряду с этими интенсивными линиями излучения существуют и так называемые переходы «Ног Вапдгч также возбуждаемые процессами столкновения СО,-СО,(столкновительно-возбужденные зоны). Рис. 6.3б демонстрирует самые известные лазерные переходы в схеме энергетических уровней.
Вследствие расщепления отдельных колебательных уровней на вращательные состояния возникает большое число плотно прилегающих друг к другу линий излучения, принадлежащих разным полосам лазерного излучения. Демонстрируемые на рис. 6.3а и 6.36 лазерные переходы показывают лишь центры этих полос. ~~~О Г .,К М, ~~„. фр,р ° р,(,р .рщ Линии лазерного излучения По причине расщепления лазерных уровней энергии спектр СО,-лазера состоит из множества линий. На рис. 6.4 представлены колебательно-вращательные уровни регулярных зон СО,-лазера.
На каждое колебательное состояние наложены многократно квантованные вращения молекулы, причем энергия вращения значительно меньше энергии колебаний. Вращательная энергия Е, характеризуется квантовым числом У ((см. уравнение (1.11)): (6.5) Е, = ЬсВ У (У+ 1). Величина В выражена через момент инерции масс О молекулы. Классическим аналогом уравнения (6.5) является уравнение для кинетической энергии ротатора из механики вращательных движений И'= (О/2) гв', где гв есть круговая частота.
Молекула СО, линейна, зеркально симметрична, а спин ядра атомов "О равен нулю. На основе этих симметрирующих свойств возможны лишь четные квантовые числа Упри симметричных колебаниях, например, (10'О). Напротив, при асимметричных колебательных состояниях (например, 00'1), Уявляется нечетным числом. Если "О заменить изотопом со спином ядра, то будут иметь место все У-состояния. Согласно таблице 1.6 в отношении оптических переходов (электрическое дипольное излучение) действительны следующие правила отбора для изменения квантового числа У при переходе: (6.6) ЛУ=+1разрешено и 5У=О запрещено.
Переходы с 5У= -1 обозначаются как Р-ветвь, а таковые с ЬУ= +1 — как Я-ветвь. При этом сам лазерный переход выражается через квантовое число У нижнего уровня, то есть изменение ЬУ относится именно к этому уровню. Данные переходы представлены через указание Р- или А-ветви и вращательное квантовое число У нижнего лазерного уровня, например, Р(20) н Я (20). В результате переходов в схеме энергетических уровней согласно рис.
6.4 получают многочисленные регулярные линии СО,-лазера, как показано на рис. 6.5. Здесь приведены и линии излучения в последовательных зонах молекулы СОг При этом А- и Р-ветви относятся к диапазону от 9,4 до 10,6 мкм и образуются на основе двух разных конечных состояний лазерных переходов.
Усиление отдельных лазерных линий, представленное на рис. 6 5, объясняется разной заселенностью вращательных уровней, выраженной через распределение Больцмана, причем должен учитываться статистический вес соответствующего вращательного уровня. Таким образом, для величин населенности Л~, вращательных уровней в рамках колебательного состояния получают; (6.7) )ч, — (2ю + 1) ехр [- лсВ,) () + 1)/$ст). По мере повышения квантового числа Уувеличивается и степень вырождения 2У+1, в то время как экспоненциальный множитель сокращается. Из уравнения (6.7) путем дифференцирования по квантовому числу У и приравнивания к нулю получают вращательное квантовое число У с максимальной населенностью: Я = (хТ!2Ьс — и)'~'.
(6.8) з га к са со Рс о о в о л о а о о 30 31 32 Частота в 1Е" Гц — г 10,5 1О 9.5 м — — длина волин,мкм Рве. 6.5. Линии излучения СОГлазера (6.9) И=с/2Е=200 МГц. Это больше, чем доплеровское уширение лазерной линии 50 МГц, поэтому может присутствовать только одна мода. Интервал между линиями уже указывался в диапазоне от 30 до 50 ГГц. Нелрерыеный и имлулысный режимы генерации Быстрая термализация врашательных энергетических уровней имеет серьезные последствия для спектра излучения СО,-лазера. В непрерывном режиме генерации лазера без частотной селекции доминирует, как правило, самая интенсивная линия Р (20).
Эта линия вначале будет демонстрировать нарастание колебаний, а населенность соответствуюшего вращательного уровня начнет уменьшаться. Но так Температура по Больцману Т составляет ориентировочно от 350 до 400 К. В результате имеем максимальную населенность при квантовом числе г'„= 17. Итак, от этих либо соседних уровней начинается лазерная линия самой высокой интенсивности, причем она представлена в виде двух разных ветвей как Р (18) и Я (16). Эти оценки примерно соответствуют измеренному усилению отдельных лазерных линий по рис.
6.5. Процесс релаксации, поддерживающий данное тепловое распределение также и во время генерации лазерного излучения, обеспечивает время термализации менее 1 мкс. В перестраиваемых СО,-лазерах линии излучения отделены друг от друга высокоотражательной решеткой в резонаторе. Расстояние между линиями излучения составляет от 30 до 50 ГГц. Выраженный через доплеровское уширение диапазон перестройки отдельных линий излучения достигает у лазеров низкого давления 50 МГц. Генерация лазерного излучения происходит примерно на 80 линиях от 9,2 до 10,8 мкм. Путем использования изотопов '"О и оС диапазон излучения может быть еше расширен. При высоких давлениях возможна непрерывная перестройка, Диаметр лазерной трубки или модовая диафрагма определяют, будет лазер генерировать на ТЕМм-моде или на нескольких поперечных модах.
Продольная же мода бывает, как правило, только одна. При резонаторе длиной 7. = 0,75 м для продольного межмодового интервала имеем: как у непрерывных лазеров время термализации (< 1 мкс) меньше времени жизни (в отличие от спонтанного и индуцированного излучения), то это обуславливает быструю компенсацию энергии, в силу чего населенность всех вращательных уровней уменьшается с сохранением распределения Больцмана.
Этот процесс напоминает проблему насыщения усиления при однородном уширении линий. Таким образом, усиление в возбуждающей лазерной линии всегда остается максимальным, поскольку населенность стремительно пополняется за счет соседних вращательных состояний. Поэтому непрерывные СО,-лазеры без частотно-селективных элементов генерируют нередко только на одной линии, а именно на линии с максимальным превышением усиления над потерями резонатора.
Время естественной жизни на верхних лазерных уровнях составляет около 2 мкс, так что в процессе возбуждения энергия может накапливаться. Это порой становится причиной укорочения импульсов на основе модуляции добротности (О-зччйсй) СО,-лазера (см. п. 17.2). Во время излучения импульса модуляции добротности в наносекундном диапазоне процесса передачи энергии между вращательными уровнями не происходит. Перенаселенность на линии самой высокой интенсивности поэтому очень быстро уменьшается и в конце концов вовсе сходит на нет.
Благодаря этому могут возбуждаться соседние линии с усилением выше порога генерации лазера. Следовательно, в режиме модуляции добротности генерируется несколько линий Р- и )(-ветви, если иметь в виду, что до сих пор речь идет о низком давлении СО,-лазера. У СО,-лазеров с высоким давлением вследствие короткого времени соударения молекул СО, обмен энергией между вращательными уровнями резко ускоряется.
Время терм ализации может стать поэтому короче длительности лазерного импульса в режиме модуляции добротности. Распределение Больцмана при такой длительности импульсов сохраняется, и при высоком давлении газа в режиме модуляции добротности наблюдается генерация только на одной линии. Существует несколько режимов генерации для СО,-лазера, которые могут быть классифицированы с выделением нескольких типов (см. дальше), Лазер с медленным аксиальным газовым потоком Типовая конструкция в данном случае представляет собой охлаждаемую водой стеклянную трубку диаметром от !до 3 см (рис. 66). В смеси СО,-Не-М, создается разряд постоянного тока в осевом направлении.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
