Потужні молекулярні лазери і їх застосування

       У всіх випадках, коли досягається інверсія населенностей, енергія, витрачена на збудження верхнього рівня робочого переходу однієї мікрочастки, завжди більше, ніж квант випромінювання. Величина відношення кванта до енергії збудження є принциповою межею ККД будь-якого лазера і називається квантовим виходом процесу збудження. Другою найважливішою умовою високого ККД служить велика величина квантового виходу. Тим, що селективні процеси збудження з високим квантовим виходом дуже рідкісні, пояснюється, чому ККД переважної більшості існуючих лазерів дуже низький. Малий ККД складає плату за високу якість когерентного випромінювання.

       Можливість досягнення високого ККД є найважливішою, але ще не достатньою умовою отримання великої потужності випромінювання. Внаслідок того, що; квантовий вихід завжди менший 100%, частина енергії, що підводиться, навіть при селективному збудженні залишається в активному середовищі, спочатку у вигляді енергії нижнього рівня робочого переходу. Якщо не відводити енергію з цього рівня з достатньою швидкістю, то із-за індукованих переходів з верхнього рівня населеність його зросте, а тоді зменшиться потужність випромінювання. Щоб цього не трапилося, в середовищі повинні відбуватися такі процеси, які приводили б до можливо меншої тривалості існування частинок на нижньому робочому рівні. Тоді частина енергії збудження, що марно втрачається, переходитиме в теплову форму в активній або в навколишньому середовищі. Підвищення температури активного середовища завжди приводить зрештою до такої зміни середовища, що робота лазера стає неможливою. Допустима величина підвищення температури залежить від конкретних властивостей активного середовища. При достатньо малому часі життя нижнього рівня швидкість відведення теплової енергії визначає досяжну потужність випромінювання в безперервному режимі роботи; у імпульсному режимі допустиме підвищення температури обмежує енергію імпульсу випромінювання.

       Так, щоб побудувати могутній лазер, необхідно  використовувати робочий процес з високим ККД, а активне середовище повинне допускати швидке видалення  невикористаної енергії. Обидва ці обмеження, разом узяті, настільки серйозні, що ще кілька років тому можливість створення могутніх ефективних лазерів була під сумнівом, а для подолання виникаючих труднощів доводиться застосовувати весь арсенал передової науки і нової техніки.

       Подивимося  тепер, які основні типи лазерів  існують в даний час.

       Історично першим був створений лазер на кристалах синтетичного рубіна. У цьому лазері збудження іонів хрому, які входять до складу рубіна, відбувається при поглинанні ними світла від імпульсної лампи-спалаху в синій і зеленою областях спектру. Час життя іонів в цих станах дуже малий, вони швидко віддають частину енергії кристалічній решітці і переходять в нижній збуджений стан, який є метастабільним. Якщо енергія спалаху настільки велика, що більше половини іонів опиняється в цьому стані, то між метастабільним і основним рівнями виникає інверсія, що супроводжується посиленням в червоній області спектру на довжині хвилі 0,68 мкм. Звичайне посилення виникає через 100—300 мкс після початку спалаху і зберігається протягом 1 мс до моменту її закінчення. За цей час великі кристали випромінюють до 1000 Дж світлової енергії. Потужність випромінювання досягає 1 млн. Вт.

       Подібним чином працює велика кількість твердотільних лазерів на кристалах і склах з домішкою рідкоземельних іонів. Відмінність полягає тільки в тому, що інверсія в них виникає між метастабільним рівнем і одним з низьколежащих збуджених підрівнів основного стану. Ці підрівні не заселені термічно, і інверсія населеності досягається легшим, ніж в рубіні. Лазери на основі силікатних стекол з домішкою неодима з довжиною хвилі випромінювання 1,06 мкм дозволяють отримувати тисячі джоулів в імпульсі. Лазер на кристалах іттрій-алюмінієвого граната може працювати в безперервному режимі з потужністю в сотні ватів. Енергія імпульсу і потужність в безперервному режимі обмежені розмірами скляних стрижнів і кристалів і тепловими ефектами, які ми обговорювали вище.

       Значний інтерес представляє використання рідких активних середовищ. Зараз створені лазери на основі розчинів рідкоземельних іонів у ряді неорганічних рідин  і лазери безперервної і імпульсної дії на основі розчинів органічних барвників. Важливою гідністю останніх є можливість отримати, підбираючи різні барвники, повне перекриття всього видимого діапазону довжин хвиль з плавною перебудовою частоти в значних межах.

       В принципі рідке активне середовище може займати дуже великий об'єм з високою оптичною однорідністю. Вона може циркулювати через резонатор з подальшим охолодженням в теплообміннику. Все це дуже важливо для отримання направленого випромінювання і підвищення енергії в імпульсі і середній потужності. Проте технічні труднощі на цьому шляху поки не вдалося подолати. Рідинні лазери по багатьом параметрам поступаються твердотільним.

        Всі перераховані типи лазерів працюють за допомогою оптичного накачування, що сильно зменшує їх ККД. Спектр випромінювання імпульсних джерел дуже широкий, проте з нього використовуються лише вузькі ділянки поблизу ліній поглинання. Велика частина енергії світла не використовується, але нагріває активні елементи і всю конструкцію лазерів в цілому.

       Серед твердотільних лазерів особливе місце займають напівпровідникові. У них інверсія населенностей виникає при інжекції носіїв струму — електронів і дірок — в тонку перехідну область між напівпровідниками з електронною і дірковою провідністю (р—n-перехід). Струм підтримується за допомогою зовнішнього джерела. Існує велике число напівпровідників, які можна використовувати для виготовлення лазерів. Накачування в напівпровідникових лазерах селективне. ККД лазера на арсеніді галія досягає 30% з потужністю до 10 Вт в безперервному режимі. Проте ці лазери працюють при температурі рідкого азоту, а великий об'єм р—n-переходу створити неможливо, що не дозволяє підвищувати їх потужність.

       Найбільш  численне сімейство газових лазерів. Діапазон частот, в якому вони працюють, тягнеться від субміліметрових хвиль до вакуумного ультрафіолету (лазер на молекулах водню, λ = 1600 Ǻ). Історично першим з них і найбільш поширеним став лазер на суміші газів неону і гелію. У цьому лазері використовується збудження атомів гелію в газовому тліючому розряді при тиску в декілька мм рт. ст. Гелій в процесі непружних зіткнень передає збудження високо розташованим рівням енергії неону, серед яких розташовані робочі переходи. Найбільш відомим є перехід з довжиною хвилі 6328 Ǻ (червоний колір). Решта переходів лежить в інфрачервоній області. Найбільш могутній серед газових лазерів у видимому діапазоні — аргоновий. Він дозволяє отримувати значні потужності в безперервному режимі, до сотень ватів, на ряду ліній в синій і зеленою областях спектру. Працює лазер на високозбуджених рівнях одноразово іонізованого аргону.

        Всі відомі газові лазери видимого діапазону мають украй малий ККД. Причина полягає в неселективному характері збудження і дуже малій величині, квантового виходу.

       Декілька  особливо серед газових коштує фотодіс-соціальнний лазер. У його роботі використовується той відомий в хімічній фізиці факт, що при фотолізі — розкладанні молекул під дією світлових квантів з енергією, достатньою для розриву хімічних зв'язків, у ряді випадків утворюються атоми у збудженому стані. Найбільш ефективний лазер на молекулах CF₃I. При їх фотодиссоціації утворюються атоми йоду в збудженому метастабільному стані. Швидке розкладання цих молекул під дією могутніх спалахів світла веде до накопичення великої кількості метастабільних атомів йоду. Газоподібний характер активного середовища дозволяє створити її у великому об'ємі, але низька щільність молекул газу приводить до значної меншої, ніж в середовищі, що конденсує, енергії збудження в одиниці об'єму. Хоча смуги фотодиссоціації молекул ширше за лінії поглинання іонів в кристалах і стеклах, цей лазер володіє, в декілька меншого ступеня, недоліками твердотільних лазерів з широкосмуговим оптичним накачуванням.

       Тепер ми в стані правильного визначити  в загальному ряду місце лазерів па коливально-обертальних переходах молекул. Про їх параметри стисло вже мовилося вище. Дуже важливо, що їх активне середовище газоподібне: гази дуже трохи поглинають і розсіюють світловий промінь, а тому спрямованість випромінювання досягає принципової межі, пов'язаної з дифракцією світла. Газ можна продувати через промінь світла з великою швидкістю, вводячи все нові активні молекули в резонатор. Відлітаючі молекули відносять з собою невикористану при роботі лазера енергію. Теплова потужність, яку можна відводити таким шляхом, дуже велика. Масштабом тут є потужності промислової теплової енергетики і високошвидкісної газодинаміки. У молекулярних лазерах інфрачервоного діапазону ці загальні переваги газового середовища поєднуються з високою селективністю збудження і великим квантовим виходом. Вони можуть працювати при дуже високому тиску, що наближає їх по щільності енергії збудження до твердотільних.

       Селективність збудження і великий квантовий  вихід коливально-обертальних переходів  мають глибокі фізичні основи в самій природі молекул. Вони зрештою приводять до досягнення високого ККД — того найважливішого параметра, який у поєднанні з рештою достоїнств газового активного середовища робить молекулярні лазери особливо цінними. Розглянемо ці основи докладніше.

       Чому  ефективні молекулярні  лазери

       Зупинимося  спочатку на особливостях енергетичного  спектру атомів, щоб зрозуміти  причину неселективного характеру  збудження електронів і рису величину квантового виходу в цьому випадку.

       Енергетичні рівні електронів в атомах дуже нерівномірно розподілені в тому інтервалі енергій, в якому електрон пов'язаний з атомом, — від нижнього, основного стану до енергії іонізації. Перший збуджений рівень зазвичай відповідає енергії, близькій до половини енергії іонізації, а в другій половині розташоване дуже велике ( якщо атом ізольований, то нескінченне) число рівнів, що згущуються до іонізаційної межі. Енергія першого збудженого стану складає декілька електрон-вольт (эВ), а відповідні цьому переходу фотони доводяться на область спектру від червоного до ближнього ультрафіолетового. Будь-який фізичний процес збудження атомів, який можна здійснити в широкому масштабі без великих втрат енергії, відбувається за участю частинок, енергія яких розподілена в широкому інтервалі. Такі процеси збудження електронами в газовому розряді, оптичне збудження за допомогою некогерентного світла, теплове збудження, проникаюча радіація, потоки швидких частинок і так далі. Тому, якщо є велика кількість частинок, здатних порушувати якийсь рівень енергії атома, то існує і значна кількість таких, які порушують решту рівнів. Особливо це відноситься до високозбуджених станів, між якими може виникати інверсна населеність. З іншого боку, енергія високозбудженого стану завжди значно більше, чим різниця енергій двох близьких станів. Отже, квантовий вихід виявляється невеликим.

       Ці  ж особливості електронного спектру  характерні і для молекул. Проте  можливості руху частинок в молекулах  значно ширші. Окрім руху електронів, в молекулі можуть здійснювати коливальні рухи ядра атомів, а вся молекула як ціле може обертатися. Енергія руху електронів такого ж порядку, як і в атомах — декілька електрон-вольт. Ядра атомів значно масивніші за електрони, і швидкість їх руху значно менша. Електронна оболонка молекули встигає підстроїтися під відстані, що змінюються, між атомами, а рівні енергії електронів безперервно змінюються разом з цією відстанню. Кожен таким рівнем енергії є одне і те ж полягання електронів в молекулі, але при відстані, що змінюється, між ядрами. Рух ядер більшості   молекул поблизу положення рівноваги основного електронного стану відбувається білий зміни цього стану. Виключення з цього правила дуже рідкісні і для круга, що розглядається нами, явищі неістотні.

       Як  наслідок великої маси і рисої швидкості руху ядер, відстані між нижніми рівнями енергії коливань молекул значно менше, ніж енергія першого електронного рівня. Вони складають десяті і соті долі електрон-вольт. Розгойдування молекули відбувається значно легше, ніж збудження її електронів, тому в багатьох процесах — в електричному розряді, в хімічних реакціях, при нагріванні — існують умови, в яких молекули сильно коливаються, але електрони практично незбуджені. Енергія, що підводиться, в значній мірі переходить в енергію коливань молекул, і подальший її шлях сильно залежить від характеру їх енергетичного спектру.

       Нижні рівні енергії коливань двоатомних молекул розділені майже однаковим  інтервалом. У багатоатомних молекул  існує деяке число типів коливального руху, коли складові молекулу ядра погоджено коливаються з однаковою частотою. Частоти таких коливань і характер узгодженого руху ядер залежать від конкретних особливостей будови молекули. Нижні рівні кожного типу коливань також відокремлені майже однаковим інтервалом, відмінність же між квантами різних типів коливань, як правило, значно більше. Проте це відмінність зіставно з величиной самих квантів. Випромінювальні переходи між рівнями одного типу коливань, якщо вони можливі, відбуваються з квантовим виходом, близьким до 100%. Величина квантового виходу при переходах між рівнями різних типів коливань також виявляється великою.

       Енергія нижніх збуджених рівнів велика в  порівнянні з тепловою енергією молекул при кімнатній температурі. Перехід енергії коливань в теплову і, навпаки, збудження коливань за рахунок теплової енергії відбувається при зіткненні молекул один з одним. В умовах низької температури такі переходи спостерігаються украй рідко. Для того, щоб відбувся один такий перехід, молекули винні 104—106 разів зіткнутися з іншими молекулами. Енергія збудження зберігається унаслідок етого досить довго.

       Абсолютно іншою швидкістю характеризуються процеси, якщо частоти коливань молекул, що стикаються, недостатньо відрізняються  один від одного, або, як то кажуть, у  разі близькості їх до резонансу.

       Тут можна нагадати відомі з курсу  фізики демонстрації з камертонами, налаштованими на близькі частоти. Якщо один такий звучний камертон піднести до іншого, то через деякий час вони починають звучати разом, потім тільки один, потім знову разом і так далі Камертони обмінюються енергією коливань. Якщо швидко прибрати перший камертон в той момент, коли звучить інший, то подальшого розгойдування першого вже не відбудеться, він передасть свої коливання іншому.