Формирование частотного спектра лазерного излучения

Он имеет достаточно сложный вид, т.к. на колебательную структуру уровней молекул СО накладывается вращательная структура. Дело в том, что колеблющаяся молекула может одновременно вращаться вокруг трех пространственных осей. Энергия вращения не может быть произвольной, а тоже квантуется, образуя серию уровней. Эти уровни по возрастании энергии вращения нумеруют индексом Ј, который называют вращательным квантовым числом. Таким образом, каждый колебательный уровень любой из трех мод молекулы СО2 разбивается на серию вращательных подуровней.

Согласно квантовой механики, переходы между состояниями атомов и молекул не могут совершаться произвольно. Они подчиняются строгим правилам, которые называются правилами отбора. Эти правила отбора показывают, как могут изменяться квантовые числа при переходе атома из одного состояния в другое. Относительно вращательного квантового числа j есть правило отбора j - j =Δ j = 1, т.е. при переходах между состояниями молекулы с вращательными квантовыми числами j и j оно должно либо увеличиваться, либо уменьшаться на 1. Нагляднее всего это можно рассмотреть на следующем примере.

Пример 4

Пусть молекула совершает переходы между двумя колебательными состояниями v и v . Соответствующие этим состояниям вращательные уровни обозначим j и j . Согласно правилу отбора на вращательное квантовое число разрешенными будут только такие переходы, для которых выполняется условие Δј = 1. Эти переходы изображены на рис. 22, причем переходы с Δј = 1 представлены сплошными линиями, а с Δј = — 1 — пунктирными.

Рис. 22 Рис. 23

Частотный спектр всех возможных колебательно-вращательных переходов называют колебательно-вращательной полосой. Поскольку вращательные уровни не эквидистантны между собой, то вся полоса разбивается на две частотных области (рис. 23): одна соответствует переходам с Δј = +1 (ее называют Р-ветвь), а другая Δј = -1 (ее называют R- ветвь).

Рис. 24 Рис. 25

Если результаты данного примера перенести на молекулу CO , то для ее лазерных переходов можно получить соответствующие частотные спектры колебательно- вращательных полос. Так, спектр колебательно-вращательной полосы (00 1)-(10 0) представлен на рис. 24, а спектр колебательно-вращательной полосы (00 1)-(02 0) — на рис.25. Отдельные линии этих полос принято обозначать тремя символами: символом

колебательно-вращательной полосы, затем символом ветви внутри полосы, которая содержит данную линию и, наконец, символом этой линии внутри данной ветви. При этом номер линии принято обозначать четным числом, которое возрастает по мере удаления линии от центра полосы. Приведем примеры.

Например, на рис. 24 выделена линия, которую называют линией Р(20) Р-ветви колебательно-вращательные полосы (00 1)-(10 0), а о выделенной на рис.25 линии говорят, что это линия R(20) R-ветви колебательно-вращательной полосы (00 1)-(02 0).

Для молекулы СО расстояние между соседними линиями лежит в пределах 1,5-2 cм . Т.к. в обеих полосах Р и R-ветви имеют вместе около 50 и более линий, то полные ширины каждой из этих полос составляют примерно 100 см с центрами 960,98 см и 1063,77 см соответственно. Интенсивности отдельных линий таковы, что их огибающая представляет собой двугорбую кривую. Максимальные значения интенсивности приходятся в Р-ветви на линии Р(18)-Р(22), а в R-ветви — на R(16) — R(20). Из-за малой интенсивности линии Р(2) и R(2), как и линии Р(60) и R(62), проявляются очень слабо и в эксперименте их часто трудно наблюдать.

Интересно заметить, что если заменить в молекуле СО разнородные изотопы кислорода или углерода на О или С соответственно, то число линий генерации возрастет в несколько раз. И тогда получается набор в несколько сотен линий, который покрывает диапазон 9-11,4 мкм.

Кроме того, увеличение давления смеси СО; N; Не приводит не только к увеличению выходной мощности лазерной генерации, но также к уширению отдельных линий, которые перекрываются и образуют сплошной спектр 9-11,4 мкм. Это позволяет плавно перестраивать частоту генерации С02-лазеров высокого давления в этом диапазоне.

1.3.4. Зависимость мощности генерации СО -лазера