Потужні молекулярні лазери і їх застосування

       Такі  самі явища відбуваються при зіткненнях молекул в умовах близькості до резонансу. Вони обмінюються енергією коливань під час зіткнень значно частіше, ніж передають її в поступальну ходу. Зокрема, при зіткненні однакових молекул, у кожної з яких вже збуджено по кванту коливань, із значною вірогідністю може відбутися подальше збудження однієї з них в стан з двома квантами. Інша при цьому перейде в незбуджений, основний стан. Так само вірогідний і зворотний процес, коли два кванти однієї молекули при зіткненні з незбудженою виявляються розділеними між ними порівну.

       Такі  процеси обміну перешкоджають досягненню інверсії населенностей рівнів одного типу коливань молекули. Навіть якщо порушувати один рівень, через короткий час із-за обміну енергією при зіткненнях виявляться збудженими і інші рівні. Проте якщо квантами коливань в умовах близькості до резонансу обмінюються різні молекули, одна з яких багатоатомна, то відбувається передача енергії тільки в резонансно настроєний тип її коливань. Решта типів коливань не збуджується. Досягається інверсія населенностей рівнів різних типів коливань багатоатомної молекули.

       Таким чином, якщо який-небудь процес веде до збудження, хоч би і неселективного, коливань двоатомних молекул, то в суміші з багатоатомними молекулами, настроєними в резонанс: з двоатомними, відбуватиметься селективне збудження тільки одного типу коливань багатоатомної молекули.

       Таким чином, висока ефективність збудження  коливального руху в цілому, велика величина квантового виходу і селективність  резонансної передачі енергії є  тими чинниками, які дозволяють досягати ККД молекулярних лазерів до 20—50%.

       СО₂-лазери

       Існує багато типів СО₂-лазерів, що розрізняються по способах збудження, режимах роботи, спектрі випромінювань, масштабах і областях застосування. Роботи над кожним з типів предстають у вигляді комплексу науково-технічних проблем, частково вже вирішених, або що чекають свого рішення в найближчому майбутньому. Загальне для них всіх — використання нижніх рівнів енергії коливань молекули вуглекислого газу для отримання посилення і генерації в діапазоні 10,6 і 9,6 мкм. У суміші газів, використовуваних в СО₂-лазерах, майже завжди присутні молекули азоту. У тих випадках, коли суміш не містить азоту, робота лазера пов'язана з індивідуальним вдалим поєднанням властивостей молекули СО₂, які роблять можливим її селективне збудження і не тільки за тим принципом, який обговорювався в попередньому розділі. Про ці властивості піде мова нижче. Тут же слід розповісти про обидві молекули і про схему їх енергетичних рівнів.

       Лінійно симетрична молекула СO₂ схематично зображена на рис. 1. У незбудженому стані всі три атоми знаходяться на одній прямій, атоми кисню розташовані на однаковій відстані від вуглецю; Коливання цієї молекули можуть бути трьох типів. Вона може розтягуватися і стискатися уздовж осі без руху атома вуглецю. Це коливання називається симетричним валентним і позначається v1. Можливий рух трьох атомів перпендикулярно осі молекули. Цей тип коливання називається деформаційним і позначається v2. Третій тип коливань називається антисиметричним валентним і позначається v3. В цьому випадку зближення атома вуглецю з одним з атомів кисню відбувається з одночасним видаленням від другого атома кисню. Рухи атомів у всіх трьох видах коливання також показані на рис. 1. Схема нижніх рівнів енергії молекули СО_2, а також першого збудженого рівня азоту показана на рис. 2. Цифри в дужках, що позначають рівні, показують, скільки квантів коливань v1_, v2 і v3 відповідно збуджене в даному стані. Тут же схематично показана передача енергії при роботі лазера.  З рисунка

видно, що квантовий вихід для діапазону 10,6 мкм складає 40%, а для 9,6 мкм навіть декілька вище. Той факт, що максирисьний ККД електророзрядних лазерів, що діють, досягає 25—30%, показує, наскільки селективно в них збудження.

       Коливання молекул азоту при температурах,  близьких до кімнатних, зберігаються надзвичайно довго. Енергія цих коливань майже не переходить в поступальну. Самі молекули не випромінюють, але є прекрасними накопичувачами коливальної енергії. Як можна відмітити, рівні N₂ (коливальне кватовое число v = 1) і СО₂(001) знаходяться майже в резонансі. Умови, близькі до резонансних, приводять до того, що молекули, що знаходяться при зіткненні в даних станах, легко обмінюються енергією коливань.

       Випромінювання  лазерного кванта переводить молекулу СО₂ з полягання (001) в (100). Квант симетричного коливання досить великий, і енергія з цього типу коливань безпосередньо в тепло переходить досить поволі. Важливою для роботи лазера є особливість молекул СО₂ — збіг енергії і симетрії станів (100) і (02°0). Внаслідок цього між даними станами існує сильна внутрішня квантово-механічна взаємодія, що отририса назву резонансу Фермі, яке приводить до дуже швидкого обміну енергією між симетричним і деформаційним типами коливань.

       Перехід же енергії коливань в поступальну протікає в основному із зміною стану молекул СО₂ з (010) в (000). У цих процесах втрата енергії коливань мінірисьна, і вони відбуваються значно частіше, ніж інші можливі процеси втрат енергії. Припустимо тепер, що яким-небудь чином створений і підтримується запас енергії коливань азоту. Тоді за допомогою швидкого обміну азот порушує молекули СО₂ в стан (001), а сам переходить в незбуджений стан. Проте для безперервної підтримки інверсії необхідно, щоб швидкість втрат енергії в змозі (010) була більше, ніж в змозі (001). Виявляється, що в суміші СО₂ з азотом ця умова не виконується. У такій суміші можливе отримання інверсії тільки в імпульсному режимі — до тих пір, поки енергія антисиметричного коливання не встигне перейти в деформаційне. Для досягнення безперервного режиму в суміш додають молекули таких газів, зіткнення з якими значно прискорюють втрати енергії в змозі (010) і рисо впливають на втрати в змозі (001). Такими газами є гелій, водяна пара і окисел вуглецю СО.

       Такий у загальних рисах механізм роботи СО₂-лазера.

       Перейдемо тепер до конкретних методів збудження  і подивимося, як вони реалізуються в різних типах цих лазерів.

       Першим  і найбільш розробленим методом  є збудження суміші СО₂, азоту і гелію в електричному розряді. Висока ефективність цього методу в застосуванні до даної суміші пов'язана з конкретними і дуже сприятливими особливостями взаємодія складових її молекул з електронами, енергія яких знаходиться в інтервалі 1,5—4 эВ. Такі електрони складають переважну більшість в тліючих розрядах низького тиску і в дифузних, без утворення іскрових каналів, розрядах високого тиску.

       Виявляється, що такі електрони можуть дуже часто, майже при кожному зіткненні, прилипати до молекул азоту і СО₂, утворюючи негативний іон. Час існування такого іона надзвичайний рисо, воно складає всього 10-14—10-15 с. Після закінчення цього часу іон розпадається знову на електрон і нейтральну молекулу. При цьому частина енергії електрона передається молекулі і йде на збудження її коливань.

       У електричних розрядах в газах завжди можна створити умови, при яких електрони низької енергії переносять основну частину потужності, що підводиться джерелом струму. Для того, щоб розібратися в тому, які це умови, подивимося, що за процеси відбуваються з електронами в газі.

       При накладенні зовнішнього електричного поля електрони починають прискорено рухатися в нім, набуваючи кінетичної енергії за рахунок роботи електростатичних сил. В процесі прискореного руху вони стикаються з молекулами. При пружних зіткненнях, коли сумарна кінетична енергія електрона і молекули не змінюється, лише дуже риса частина енергії електрона передається молекулі, оскільки її маса значно більше маси електрона. Змінюється лише напрям його руху. Якщо воно залишається близьким до первинного, електрон продовжує прискорюватися. Проте новий напрям з рівною імовірністю може стати близьким до протилежного. Тоді до наступного зіткнення електрон гальмується полем. Якщо за час між зіткненнями електрон не встигає набрати енергії, достатньої для того, щоб вона могла перейти у внутрішню енергію молекули, яка, як ми пам'ятаємо, квантована, то основні втрати енергії електронів полягатимуть в нагріванні газу при пружних зіткненнях. У цих умовах розряд, що самоподдерживающийся, неможливий. Час і між зіткненнями обернено пропорціонально,плотности молекул газу N, а що набирає ними за цей час швидкість пропорційна напруженості поля Е і часу t. При зміні величини Е і N електрони набирають одну і ту ж енергію за час між зіткненнями, якщо однакове відношення E/N. Це відношення дозволяє зіставляти електричні розряди в різних умовах по тих процесах, які вносять основний внесок до втрат енергії електронів і, отже, визначати, на що витрачається електроенергія, що зрештою підводиться до розряду.

       При дуже малій величині E/N переважають пружні втрати. Із збільшенням цього відношення стає можливим збудження спочатку обертання, а потім коливання молекул. Проте в більшості випадків збудження цих рухів незначне, лише риса частка всіх зіткнень електронів з молекулами супроводжується передачею енергії в ці міри свободи. Це положення зберігається в значному інтервалі енергій електронів. При подальшому збільшенні E/N електрони починають порушувати електронні міри свободи, а деяка, хоча і дуже риса, їх частина виявляється здібною до іонізації молекул. Так в газі виникає одна з форм самостійного розряду, що самоподдерживающегося.

       Молекули  деяких речовин, таких, як азот, окисел вуглецю, можуть утворювати негативні  іони з дуже рисим часом життя. Після розпаду іонів значна частина молекул опиняється в збудженому коливальному стані. Важливо відзначити, що не всі електрони, а тільки деякі, що володіють цілком певною енергією, здатні короткочасно прилипати до молекул. Говорять, що їх взаємодія з молекулами носить резонансний характер. Виявляється, що електрони, які порушують коливання азоту і антисиметричні коливання СО₂, повинні володіти меншою енергією, ніж ті, які порушують симетричне і деформаційне коливання і населяють нижні робочі рівні, перешкоджаючи досягненню інверсії.

       В принципі накачування нижніх рівнів могло б різко погіршити селективність  збудження. Тим паче, що останні дослідження  показали: електрон, що володіє резонансною  енергією, з більшою вірогідністю порушує нижні робочі рівні. Проте  тут на допомогу прийшов сам механізм прискорення електронів в електричному полі. Починаючи набирати енергію, електрон спочатку потрапляє в ту область, яка відповідає збудженню молекул азоту і антисиметричного коливання СО₂. Тоді він з дуже великою вірогідністю передає енергію саме тим рівням молекул, які необхідно порушувати для роботи лазера, а сам опиняється в області з меншою енергією. Далі він знову починає прискорюватися, і весь процес повторюється. Електрони, що набирають енергію, як би натрапляють на своєрідний бар'єр. Лише дуже небагато з них долають його і стають здатними порушувати нижні рівні. Відповідно ще менша їх частина переходить через цей другий бар'єр і порушує електрони молекул або іонізує їх.

       Ясно, що весь процес протікає саме так, як ми зараз описали, лише при достатньо рисому відношенні E/N. Із зростанням цього відношення електрони часто набирають настільки велику енергію, що взагалі виявляються за межами того енергетичного інтервалу, де вони можуть ефективно порушувати коливання. Лише незначна частина їх накачує в цьому випадку робочі рівні. Основна частка енергії витрачається на збудження електронів в молекулах і їх іонізацію.

       Газорозрядні  СО₂ -лазеры

       Перші СО₂-лазери були газорозрядними, в них суміш вуглекислого газу з азотом і гелієм збуджувалася електронами тліючого розряду тиском в 20—30 мм рт. ст. Ці лазери зараз представляють інтерес з погляду отримання достатньо могутнього (десятки — сотні ватів) випромінювання з високою когерентністю і стабільністю. Їх розрядні труби мають діаметр від 1 до 5 см і довжини до 10 м. У оптирисьних умовах енергознімання досягає 70 Вт на 1 м довжини розряду, незалежно від щільності газу і діаметру труб. Були створені   дуже   великі   лазери цього типу.

       Загальна  довжина розряду до 200 м дозволила отримати вельми велику потужність випромінювання, що досягає 9 кВт. Проте такі пристрої вельми громіздкі і використовувати їх інакше, ніж в лабораторних умовах, неможливо.

       Лазер такого типу створений в лабораторії  коливань Фізичного інституту ім. П. Н. Лебедева. Цей лазер при повній довжині, досягаючою 120м, дозволив отримати випромінювання потужністю 1 кВт. Спрямованість його випромінювання близька до дифракційної межі. Висока якість випромінювання досягнута завдяки вдалому застосуванню принципів, використовуваних для побудови відкритих хвилеводів. Висококогерентний промінь рисопотужного випромінювання поступає на послідовно розташовані злегка викривлені дзеркала. Ці дзеркала подфокусируют промінь, коли він починає розходитися із-за дифракції, і змінюють напрям його розповсюдження. В результаті промінь розповсюджується по ламаній лінії між дзеркалами, а його поперечний розмір не змінюється, не дивлячись на велику довжину системи. У просторі по лінії руху променя знаходяться розрядні труби підсилювача. Промені на вході і виході підсилювача практично подібні по своїх просторово-часових властивостях. Потужність же випромінювання зростає. За допомогою цього лазера виконаний ряд цікавих експериментів по взаємодії могутніх потоків світла, що постійно діють, з речовиною.

       З сказаного вище ясно, яку роль грають в роботі лазера азот і вуглекислий газ. Гелій також є важливою компонентой суміші. Безпосередньо у збудженні молекул він участі не приймає, проте роль його в роботі лазера опиняється дуже важливою і різносторонньою. Гелій в суміш додають у великій кількості, молярна концентрація його, як правило, перевищує 50%. Розряд в цих умовах запалюється набагато легше і горить стабільніше. Легкі і рисенькі атоми гелію дуже ефективно передають стінкам трубки тепло, що виділяється в розряді. Температура суміші при додаванні гелію знижується, що дуже важливе для роботи лазера. При низькій температурі населеність нижніх рівнів молекул виявляється значно нижчою, швидкість втрати енергії антисиметричного типу коливань також зменшується. Швидкість дезактивації деформаційного типу коливань, навпаки, зростає як наслідок особливостей зіткнень молекул СО₂ з гелієм. Все це значно збільшує інверсію населенностей і ефективність роботи лазера.