Файл: Китайгородский А.И. Введение в физику учеб. пособие для студентов высш. техн. учеб. заведений.pdf

в очень короткий промежуток времени весь этот запас энергии от­ дается в форме стимулированного излучения.

Газовые лазеры работают в непрерывном режиме. Для этого надо располагать системой частиц, обладающих следующими особен­ ностями. Накачка должна переводить частицы из основного состоя­ ния на верхний лазерный уровень. Эмиссия лазера состоит в пере­ ходе частиц с верхнего лазерного уровня на нижний. С нижнего

лазерного уровня спонтанным излучением система переходит в основное состояние.

Из этого описания ясно, что возбуждение не должно переводить частицы на нижний лазерный уровень. Кроме того, нижний уровень должен быстро освобождаться, т. е. время жизни в этом состоянии должно быть существенно меньше времени жизни на верхнем ла­ зерном уровне.

Переход частицы с нижнего лазерного уровня в основное состоя­ ние не участвует в лазерном излучении. Это неизбежная потеря, и сделать ее меньше можно лишь одним способом, подбирая системы, у которых разница между энергиями верхнего и нижнего уровней велика по сравнению с разностью энергий нижнего и основного

Разумеется, она много меньше практической эффективности, так как энергия накачки неизбежно тратится не только на подъем ча­ стицы на нужный верхний лазерный уровень.

В одном и том же газе могут существовать несколько возможных верхних и нижних лазерных уровней. Установление режима,

благоприятного для создания фотонов определенной энергии, т. е. для выделения двух уровней как верхнего и нижнего лазерных уровней, достигается конструированием лазера наподобие резони­ рующей полости. Если прибор представляет собой газоразрядную трубку с зеркалами у оснований колонны, то при помощи микромет­ рической подачи нужные фотоны отбираются варьированием длины

колонны. Поскольку волны отражаются по нескольку раз от зер­ кал, то в благоприятных условиях находится лишь свет, целое число длин волн которого укладывается вдоль длины колонны.

Газовые лазеры, в которых подкачка энергии происходит элект­ рическим разрядом, конструировались чуть ли не для всех эле-

ментов. Было получено лазерное излучение с длиной волны от 0,2 до 133 мкм.

Большое распространение получили лазеры, веществом кото­ рых является смесь неона и гелия. Чаще всего создается близкий инфракрасный свет с длиной волны 1,13 мкм.

Смеси газов используются в лазерах по следующей причине. В некоторых случаях газовым разрядом проще возбудить частицу Л, которая соударениями передаст возбуждение частице В, чем непосредственно возбудить частицу В.

Мы опишем более или менее детально механизм работы наиболее мощного из известных сейчас лазеров, а именно лазера, работаю­ щего на углекислом газе.

Основная идея использования молекулярных газов заключается в возможности существенно повысить максимальную эффективность, используя в качестве верхнего и нижнего лазерных уровней коле­ бательные уровни основного электронного состояния. Сравнение в этом отношении атомного и молекулярного лазеров иллюстрирует схема рис. 236а.

Виды колебаний молекулы С 0 2 были рассмотрены нами выше (рис. 231). Любое колебательное состояние характеризуется тремя квантовыми числами »1 t/2 a3 ; vx относится к симметричному коле­

молекулы в разных состояниях. Эти времена могут отличаться на несколько порядков. Далее крайне существенны вероятности перехода на тот или иной уровень под действием ударов элект­ ронов.

Оказалось, что со всех точек зрения в качестве верхнего лазер­ ного уровня пригоден уровень 001, а в качестве нижнего — 100 или 020. С этих уровней молекула переходит на уровень 010, а затем уже возвращается в основное состояние. Схема этих переходов пока­ зана на рис. 2366, вращательные уровни не показаны, чтобы не загромождать чертеж. Как видно из схемы, лазер обладает высокой

основном переводят молекулы на уровни 00У3 . Замечательно удоб­ ным обстоятельством является то, что возбуждения на любой уро­ вень 00У3 одинаково пригодны. Напомним, что колебательные уровни являются равноотстоящими. Поэтому столкновение моле­

положительный вклад в действие лазера, все же электроны тратят большую энергию на ионные возбуждения молекул. Возбуждение

становится значительно более селективным при добавлении к С 0 2 молекул азота.

лекулы С 0 2 . Это возбужденное состояние весьма долговечно, и мо­ лекула азота опускается на нулевой уровень в основном лишь одним способом, отдавая свою энергию молекуле С 0 2 в состоянии ООО (см. схему на рис. 2366). Равноотстоящие колебательные уровни азота делают эффективными все его колебательные состояния (основного электронного уровня).

- * \ Л Л Л Л /

cffepeda га jroxefiam-ельной

энергии

I

строгими — слишком много факторов определяет практическую эффективность лазера. Однако они демонстрируют методологию поисков лазерных веществ. Все в конечном счете решает опыт. Ска­ жем, если освобождение нижнего лазерного уровня происходит очень медленно, то целесообразно подмешивать другие газы. Поиск этих примесей в основном эмпирический, а результаты могут ока­ заться очень существенными. Например, при давлении газа 1 мм рт. ст. молекулы С 0 2 в чистом виде испытывают примерно 100 соуда­ рений в секунду, освобождающих уровень. Соответствующие цифры при наличии гелия и воды — 4 000 и 100 000 соответственно.

До сих пор мы ничего не говорили о том, как влияет на мощность С02 -лазера ротационная структура колебательных уровней. Если бы в излучении лазера участвовали переходы между всеми враща­ тельными подуровнями, то излучение не было бы строго монохроматичным. Использованием одного тонкого эффекта, к описанию

которого мы переходим, удается заставить лазер работать на пере­ ходе между определенными подуровнями. Обычно используется 20-й уровень Р-ветви перехода (001) — (100), что дает пучок фотонов с длиной волны 10,5915 мкм.

При комнатной температуре средняя кинетическая энергия мо­ лекулы С 0 2 равна 0,025 эВ. Расстояние между колебательными уровнями больше этой величины, а расстояние между вращатель­ ными уровнями меньше ее. По этой причине переходы молекул из-з а тепловых столкновений с одного вращательного уровня на другой много чаще (10 миллионов в секунду) переходов между колебатель­ ными уровнями (1000 в секунду). Соответственно время жизни ко­ лебательного состояния Ю - 3 с, а вращательного 10~7 с. Таким об­ разом, внутри вращательных этажей каждого колебательного уров­ ня успевает установиться распределение Больцмана, соответствую­ щее тепловому равновесию.

При этих условиях достаточно настроить колонну на опреде­ ленный переход, чтобы сделать его доминирующим. Действительно, допустим выбран переход Р (22), т. е. переход с 21-го вращатель­ ного подуровня (001) на 22-й подуровень (100). По мере освобож­ дения 21-го подуровня другие молекулы будут переходить с других вращательных подуровней на 21-й, чтобы сохранить распределение Больцмана. Таким образом поставленный в выгодные условия пере­ ход выигрывает соревнование с другими возможными переходами.

Эта особенность С02 -лазера определяет его большие достоин­ ства, способствуя высокой монохроматичности и позволяя также, хотя и в небольших пределах (9—11 мкм), варьировать по желанию

вращающееся

зержла

Большое время жизни колебательных состояний позволяет пере­ вести С02 -лазер в импульсный режим. Для этой цели одно из двух стационарных зеркал заменяется вращающимся зеркалом. Лазер приходит в действие каждый раз, когда вращающееся зеркало становится в нужное положение по отношению к стационарному зеркалу.

Если лазер дает постоянную мощность 50 Вт, то в импульсном режиме он способен давать 50 кВт вспышками продолжительно­ стью 150 не при скорости 400 вспышек в секунду.