Исследование усилительных свойств активной среды СО2-лазеров, страница 2

         Активной средой СО₂-лазеров является, как правило, тройная смесь газов, включающая углекислый газ, азот и гелий в соотношении 1 : 1 ... 2 : : 5 ... 10 при общем давлении порядка 10 ... 20 кПа. Излучающей частицей является линейная симметричная молекула углекислого газа. Азот выполняет роль буферного газа, гелий – вспомогательного. Лазерные уровни образованы нижними колебательными состояниями основного (нулевого) электронного уровня молекулы СО₂. Энергия возбуждения верхнего лазерного уровня составляет примерно 0,3 эВ. Близость лазерных уровней к основному состоянию молекулы обеспечивает высокий КПД активного вещества – отношение энергии кванта излучения к энергии возбуждения верхнего лазерного уровня. Его предельное значение (без учета потерь на спонтанные и безызлучательные переходы с верхнего лазерного уровня) достигает 41%. Лазерный переход молекулы СО₂ может обеспечивать генерацию на нескольких десятках длин волн в области 10,6 мкм, возникающих при переходах между различными вращательными подуровнями верхнего и нижнего колебательных состояний. Конкуренция переходов, обладающих различным усилением, подавляет слабые составляющие, и в спектре излучения СО₂-лазера присутствует обычно одна линия, соответствующая наиболее интенсивному переходу.

         Особенностью молекул СО₂ является быстрая вращательная релаксация – перераспределение частиц по вращательным подуровням данного колебательного уровня с постоянной времени порядка 10^{– 6} с. Благодаря высокой скорости вращательной релаксации обеспечивается эффективная "подпитка" верхнего лазерного уровня, обедняющегося при генерации, и рассасывание избыточной населенности нижнего. Этот эффект способствует росту инверсии населенностей и, как следствие, мощности излучения СО₂-лазеров.

         Возбуждение молекулы СО₂ в положительном столбе слаботочного тлеющего разряда может происходить за счет прямого электронного удара. Обеспечиваемый при этом показатель усиления κус (линейный коэффициент усиления) составляет 10 ... 20% на метр длины активной среды. Увеличение эффективности возбуждения молекул СО₂ достигается при введении буферного газа – азота, который имеет несколько колебательных уровней возбуждения, легкозаселяемых при столкновениях с электронами. Первые 6 – 8 уровней возбуждения N₂ практически эквидистантны. Они следуют друг за другом через примерно равные интервалы энергии, близкие к 0,3 эВ, т. е.  совпадающие с энергией верхнего лазерного уровня молекулы СО₂. При таких условиях в процессе столкновений частиц возможна каскадная резонансная передача энергии от возбужденных молекул N₂ невозбужденным молекулам СО₂, когда один атом N₂, возбужденный, например на пятый уровень, способен в ходе последовательных столкновений перевести на верхний лазерный уровень пять молекул СО₂. Введение в активную среду азота повышает инверсную населенность лазерных уровней в несколько раз.

         Близкое расположение лазерных уровней к основному состоянию молекулы СО₂ приводит к сильной зависимости инверсии населенностей от температуры газа, что обусловлено больцмановским заселением нижнего лазерного уровня. При температурах газа порядка 400 К (kT = 0,035 эВ) уже наступает срыв инверсии. Это вынуждает использовать принудительное водяное охлаждение стеклянных стенок разрядного канала. Для обеспечения эффективного переноса тепла от разряда к стенкам в активную смесь дополнительно вводят гелий – легкий, подвижный газ с высокой теплопроводностью. Благодаря этому в тройной газовой смеси СО₂-N₂-He показатель усиления может повышаться до 100 ... 200% на метр длины. Прокачка газовой смеси, используемая в мощных СО₂-лазерах, повышает усиление до 500% на метр длины. Оптимизация суммарного давления газовой смеси подбором парциального давления гелия способствует, кроме того, установлению в положительном столбе электронной температуры на уровне (1,5 … 2)∙10⁴ К, которая обеспечивает практическое совпадение максимума функции распределения электронов по энергиям в положительном столбе разряда с максимумами сечений возбуждения рабочих уровней молекул СО₂ и азота, приходящихся на энергии 1 ... 3 эВ. В итоге 50 ... 80% энергии электронов передается верхнему лазерному уровню молекулы СО₂.