Следующей по интенсивности после линий 488 и 514,5 нм яв­ляется линия 496 либо 476 нм, на которую приходится около 6% полной выходной мощности. При небольших превышениях тока над пороговым значением генерация происходит на переходе ^Р^то---••^-^м. Линия усиления имеет доплеровское уширение, и полная ширина спектра генерации достигает 10 ГГц, превышая ширину спек­тра Не-Ne ОКГ в 4-5 раз. Последнее объясняется, во-первых, тем, что рабочие частицы в аргоновой плазме имеют значительно боль­шую скорость, чем атомы неона в смеси Не-Me, и, во-вторых, бо­лее высоким избыточным усилением (превышением усиления над по­терями в резонаторе). Для обеспечения генерации на отдельных переходах из системы рабочих уровней электронных конфигураций Зр 4р и 3p-4s необходимо использование селективных элементов в ОКГ (призм, дифракционных решеток).

Оптический квантовый генератор на углекислом газе

Относится к груп­пе газовых лазеров, в которых используются переходы между ко­лебательно-вращательными состояниями молекул. В настоящее вре­мя осуществлена генерация на кодебательно-врашательных перехо­дах многих молекул: СО , ti^O ,НуО , СО^ и т.д. Лучшие результа­ты получены с ОКГ на COq . Они являются самыми мощными из всех газоразрядных ОКГ, работающих в непрерывном режиме, и имеют высокий коэффициент полезного действия, достигающий 20 т 30%.

Рассмотрим механизм создания инверсии населенностей в ОКГ на углекислом газе. Инверсия наоеленностей в таких ОКГ осуще­ствляется посредством газового разряда. Прежде чем рассматри­вать вопрос о механизме генерации, приведем некоторые данные о молекуле СО^ и ее уровнях. Молекула COn - линейная симметрич­ная молекула. Она имеет три нормальных типа колебаний: валент-ное полносимметричное (^ ), деформационное ( ^ ) и валентное антисимметричное (^д) (рис.89). Деформационные колебания яв­ляются дважды вырожденными, так как колебания с одной и той же частотой могут происходить в двух ортогональных плоскостях, проходящих через ось молекулы. Колебательное состояние молеку­лы описывается тремя квантовыми числами и, , Vn и ^з • каждое из которых представляет число возбужденных квантов колебаний г>! ' ^2. • "^З • Соответствующие уровни обозначаются комбинацией квантовых чисел (^ ,и^ , v^ ). Квантовое число t , записываемое. в виде индекса, обусловлено двукратным вырождением дефор­мационного -

колебания. Оно принимает значения ^"1^,0^-2, ., О для четных и, и I « Do, Uo-1, ., 1 Для нечетных и определяет значение момента количества движения Р^ = /г.^/(2Х), связанно­го с колебаниями в направленного вдоль оси молекулы. Уровни с Ь = 0 являются невырожденными, с Ь > 0 - дважды вырожденны­ми. При и, > I вследствие ангармоничности колебаний СО^ вы­рождение снимается. На рис.90 дана схема нижних колебательных уровней молекул СОп .

Для эффективного заселения верхнего рабочего уровня мо­лекул СО в в рабочую трубку ОКГ вводят азот Так как Ng — двухатомная молекула, то она имеет только одну колебательную степень свободы. Ее колебательная энергия определяется кван­тами энергии, обусловленными колебаниями атомов вдоль оси мо­лекулы. Соответственно колебательные уровни энергии молекулы азота описываются одним колебательным квантовым числом v . На рис.90 приведена также система нижних колебательных уровней молекул No. Весьма примечательно то, что энергия первого воз­бужденного колебательного уровня молекулы Nn почти равна энер­гии уровня (00°1) молекулы СОр . Разница энергии состояний (00°1) молекулы СОр и ( о =1) молекулы Nn составляет всего 0,0023 эВ.

Генерация в ОКГ на СО^ осуществляется на переходах (DO0!)-—(П^О) и (00°I) — (02°0). Наиболее интенсивная генерация идет на переходе (00°1) — (ГС°0) с длиной волны около 10,6 мкм, которая подавляет почти полностью генерацию на длине волны 9,6 мкм (00°1) -.(02°0).

Возбуждение верхнего рабочего уровня (00°1) обусловлено несколькими процессами. Основной процесс возбуждения связан с неупругими соударениями молекул N^ с СО^ , что ведет к резо­нансной передаче колебательной энергии от молекул азота к мо­лекулам углекислого газа:

В газовом разряде электронные соударения приводят к эф­фективному образованию колебательно-возбужденных молекул Nn (v = I) (до 30% общего числа молекул Nn). Так как молекула азота состоит из двух одинаковых атомов, то ее дипольный мо­мент равен нулю, поэтому дипольное излучение отсутствует и разрушение возбужденных колебательных состояний происходит только в результате столкновений. Вследствие почти полного со­впадения уровней энергии первого колебательного уровня {и = I) молекул No и уровня (00 I) СОр соударения возбужденных моле­кул No с молекулами СОп , находящимися в основном состоянии, ведут к селективному заселению верхнего рабочего уровня (00 I) СО^ .

Существенную роль в заселении верхнего рабочего уровня играет резонансная передача колебательной энергии от молекул СО молекулам СОр . В газовом разряде благодаря диссоциации мо­лекул СОо образуется значительное количество молекул СО , ко­торые при соударениях с электронами интенсивно переводятся в колебательно-возбужденное состояние. Первый возбужденный ко­лебательный уровень молекулы СО почти совпадает с верхним ра­бочим уровнем (00 Г) молекул СОр. Благодаря этому происходит процесс резонансной передачи колебательной энергии от молекул СО (так же, как от молекул Nn ) молекулам СОр:

Этот процесс - один из основных в заселении верхнего рабочего уровня ОКГ на чистом СОр .

Верхний рабочий уровень (00°1) дополнительно заселяется благодаря процессу неупругого соударения молекул двуокиси уг­лерода и электронов:

со-(ооо) + ё — со (оо°<) + е . fc *•

Для работы ОКГ наряду с заселением верхнего уровня такое же важное значение имеет разрушение нижнего рабочего уровня. Релаксация нижнего лазерного уровня обусловлена столкновения­ми молекул СОо (10'0) с невозбухденными молекулами С0^( ООО):

С0^10°0) + СО^(ООО)-- CO^OI 'O+COg^O). (125)

Этот процесс идет с большой эффективностью, что связано с со­ответствием нижнему лазерному уровню (10°0) молекул СОр энер­гии почти вдвое большей, чем требуется для возбуждения коле­бательного уровня (01^0). В результате соударения молекул СОп (10°0) и СОп (000) приводят к перераспределению колебательной энергии между ними с возбуждением каждой на уровень (01 0). Переход молекул СОп из состояния (01 0) в основное состояние (000) обеспечивается столкновениями их с частицами посторон­него газа. При этом энергия деформационных колебаний молекулы С0о_ (01 0) превращается в энергию поступательного движения со-ударяющихся молекул.

Значительное уменьшение времени релаксации уровней (01-0) и (10 0) и увеличение тем самый инверсии населенностей,а зна­чит и мощности генерации вызывают гелий, водород, пары воды, которые вводят для этой цели в рабочую трубку ОКГ.