Создание инверсии на лазерных переходах
Чтобы добиться инверсии на лазерных переходах поступают следующим образом:
1. В газ молекул СО добавляют азот (N
). Дело в том, что верхний лазерный уровень 00
1 молекулы СО
почти точно совпадает по энергии с колебательным уровнем v=1 в основного электронного состояния молекулы N
. И это совпадение используется следующим образом:
•Молекула СО хорошо возбуждается в газовом разряде электронным ударом в состояние 00
1. Но еще лучше (эффективнее) возбуждается молекула N
в свое состояние v = 1. При столкновении невозбужденных молекул СО
и возбужденных молекул N
возбуждение от N
передается к СО
молекулам. Таким образом, в смеси углекислого газа с азотом, в которой возбужден электрический разряд, заселение верхнего лазерного уровня 00
1 молекул СО
происходит одновременно по двум каналам. Первый представляет заселение данного уровня непосредственно электронным ударом молекулы СО
, а второй — его заселение через столкновение этой молекулы с возбужденной молекулой N
.
•Тушение возбужденных состояний 00 1 (СО
) и v=1 (N
) при различных столкновениях более эффективно идет у СО
. Если в рабочей смеси присутствуют молекулы воды, то тушение азота идет тоже хорошо, но если их нет, то азот служит как бы аккумулятором энергии в газоразрядных камерах большого объема (чтобы не было тушения на стенках). Поэтому присутствие азота хорошо поддерживает уровень 00
1 у СО
в возбужденном состоянии. Напротив, о присутствие молекул воды на этом свойстве азота сказывается отрицательно.
2. В газ СО кроме азота добавляют еще гелий (Не). Это делают по следующим причинам:
•Дело в том, что для поддерживания стационарной генерации нижние уровни лазерных переходов (02 0 и 10
0) необходимо эффективно расселять. Это и осуществляется с помощью гелия. Вообще говоря, это хорошо делается и с помощью воды, но выше уже отмечалось, что молекулы воды тушат возбужденные молекулы азота.
•Вторая функция гелия заключается в том, что он обеспечивает хороший теплоотвод от рабочей смеси за счет своей высокой теплопроводности и тем самым оказывает стабилизирующее действие на ГР.
3. Имеет место благоприятное стечение обстоятельств, заключающееся в том, что энергия, необходимая для поддержания самостоятельного тлеющего разряда, близка энергиям уровней 00 1 (СО
) и ν =1 (N
). Поэтому весь процесс создания инверсии идет очень эффективно (
80% выделяемой в разряде электрической энергии идет на возбуждение верхнего лазерного уровня).
4. Подбирают оптимальное соотношение между компонентами газообразной смеси СО N
-Не. Обычно оно составляет 1:2:3, иногда 1:2:6. Конкретное соотношение зависит от многих условий. Вообще этот подбор представляет очень сложную задачу по оптимизации работы лазера и проводится отдельно в каждом конкретном случае.
5. В некоторых случаях рабочую смесь прокачивают через разрядную камеру. Дело в том, что в процессе лазерной генерации сильно идет диссоциация молекул СО в реакции:
2 СО =2СО+О
,
поэтому смесь и заменяют. Но в настоящее время в лазерах средней мощности смесь регенерирует химическим путем, и лазеры изготовляются автономными (отпаянными). Для этого в рабочую смесь добавляют около 1 % воды и генерация осуществляется, как предполагают, по схеме:
Н,О=ОН+Н,
СО+ОН = СО +Н.
Здесь имеет место компромисс: хотя вода и ухудшает аккумулирующее свойство азота, зато лазер становится автономным и удобным в работе.