Физические принципы работы лазера (оптического квантового генератора)
жүктеу/скачать 242,16 Kb.
|
Оптика Акмаржан
| Молекулярные лазеры СО2-лазер
Отличительной чертой газовых лазеров на нейтральных атомах и ионных лазеров является низкий коэффициент полезного действия (к. п. д). Это связано с тем, что верхний рабочий уровень энергии активной среды лежит высоко относительно основного уровня энергии. Инверсия населённостей рабочих уровней энергии возникает при электронном возбуждении нейтральных атомов или ионов из основного состояния. Участие в процессе перевода на верхние рабочие уровни энергии атомов или ионов, создающих лазерное излучение, принимает лишь небольшое число частиц с наибольшей энергией. Коэффициент полезного действия (к. п. д) лазеров увеличивается, если рабочие энергетические уровни расположены близко к основному уровню энергии, например, колебательные уровни энергии. В молекулярных лазерах активной средой являются молекулы газа. Газовая смесь в СО2 лазере содержит молекулы углекислого газа СО2, молекулы азота ЛГ, атомы гелия Не и пары воды Н2О. Лазерное излучение в СО2 лазере создают молекулы углекислого газа ССЬ. Молекула СО2 - линейная, симметричная. Она состоит из двух атомов кислорода О и одного атома углерода С, расположенных вдоль прямой, являющейся осью молекулы (рис.3). Атом углерода С находится между атомами кислорода О. Рис.3 В молекуле СО2 имет место три вида колебательных движений: симметричные, антисимметричные и деформационные. Атомы кислорода О при симметричных колебаниях колеблются вдоль оси молекулы, одновременно отклоняясь от атома углерода С, находящегося в центре молекулы, или одновременно приближаясь к нему. На рис.4 показано симметричное растягивающее колебание. Когда возникают антисимметричные колебания атомы кислорода О одновременно смещаются вдоль оси молекулы в одну сторону, а атом углерода С в другую сторону. Рис.4 В случае деформационных колебаний молекулы СО2 все три атома колеблются в направлении, перпендикулярном оси молекулы (рис.5 а, б). Рис.5 Молекулы, в отличие от атомов, кроме электронных энергетических уровней имеют колебательные и вращательные уровни энергии. Расстояния между нижними колебательными уровнями энергии малы, порядка 10 ' 1 - 10 ' 2 эВ. Поэтому, не изменяя состояние электронов, можно возбудить только колебания молекул. . В молекулярном С02 лазере для генерации лазерного излучения используют квантовые переходы между колебательными уровнями энергии молекулы углекислого газа СО2 и молекулы азота N2. Рис.6 На рис.6 для двухатомной молекулы азота N2 показаны два уровня энергии - основной уровень Wj и первый возбуждённый уровень энергии W'2 , а для молекулы СО2 - основной уровень энергии W1 и нижние возбуждённые колебательные уровни энергии W2, Wj, W4, W5. Колебательный уровень энергии W 5 соответствует ассиметричным колебаниям молекулы СО2, колебательный уровень энергии W 4 - симметричным колебаниям, а колебательный уровень энергии Wj - деформационным колебаниям. Уровни энергии W 3, W 4, являются рабочими уровнями энергии. Верхний рабочий уровень энергии колебаний W 5 находится на расстоянии ~ 0, 3 эВ от основного уровня энергии W и а в гелий - неоновом лазере это расстояние равно ~ 20 эВ. Важно отметить, что энергия W'2 первого возбуждённого уровня энергии молекулы азота N2 совпадает с энергией Wj верхнего рабочего уровня энергии молекулы С02. В газоразрядном С02 лазере инверсию населённостей рабочих колебательных уровней энергии молекул С02, N2 создают электроны, возникающие в тлеющем разряде. Чтобы возбудить электрический разряд в газах необходимо на электроды подать высокое напряжение и создать начальную ионизацию, без которой не возникает разряд. Ионизация газа производится либо с помощью света, содержащего ультрафиолетовую область спектра, испускаемого искровым или дуговым источником, либо с помощью быстрых электронов, инжектируемых в газ и др. В молекулярных газовых лазерах, кроме электрического разряда, используют и другие методы, например, метод теплового возбуждения молекул активной среды. В газе, нагретом до высокой температуры, при быстром его охлаждении, например, во время истечения газа из сверхзвукового сопла со скоростью v ~ 1500 —, нижние рабочие с уровни энергии молекул освобождаются быстрее верхних. В результате возникает инверсия населённостей рабочих уровней энергии. Сверхзвуковой поток газа через резонатор проносит огромное число возбуждённых молекул. Лазеры, в которых происходит данный процесс, работают в непрерывном режиме и имеют большие выходные мощности излучения. Электрический разряд в С02 лазере, используемый для создания инверсии населённостей рабочих колебательных уровней энергии молекул СО 2, происходит в газовой смеси, содержащей молекулы углекислого газа СО2, молекулы азота АС атомы гелия Не и пары воды Н2О. Электроны, возникающие при электрическом разряде в газовой смеси, сталкиваются с молекулами ССВ, ДА и передают им энергию. В результате молекулы азота N2 переходят из основного состояния с энергией W / в возбуждённое состояние на метастабильный уровень энергии W2 ? На этом уровни накапливаются молекулы азота N2. Молекулы углекислого газа СО2, получив энергию от электронов, переходят с основного уровня энергии W) на возбуждённые колебательные уровни энергии W 2, W <, W 4, W 5. Время пребывания молекул ССЬ в состоянии антисимметричных колебаний значительно больше, чем в других колебательных состояниях. Поэтому нижние возбуждённые уровни энергии W4 и W5 заселяются меньше, чем уровень энергии W5. Безызлучательная резонансная передача энергии возбуждения от молекулы N2 молекуле С02 происходит, когда сталкиваются молекулы азота N2 с энергией 1У / с невозбуждённой молекулой углекислого газа С02, у которой энергия W /. Молекула АД, передав энергию молекуле С02, переходит на основной уровень энергии WС, а молекула С02 - на верхний рабочий уровень энергии W 5. Число молекул СО2 на уровне энергии ИЛ- со временем возрастает, благодаря совпадению значений энергии энергетических уровней W 2 молекул азота N2 и уровня энергии W j молекул С02. Итак, инверсия населённостей рабочих колебательных уровней энергии молекул С02 достигается электронным ударом и резонансной передачей энергии возбуждения от молекул А? молекулам СО?. Чтобы увеличить разность населённости между верхними и нижними рабочими уровнями энергии, в газовую смесь вводят гелий Не и пары воды. Молекулы СО2, сталкиваясь с атомами гелия Не, передают свою энергию возбуждения и переходят на самые нижние колебательные уровни энергии. Уровни энергии W4 и W 5 освобождаются от молекул СО?, столкнувшихся с атомами гелия Не. Поэтому между рабочими уровнями энергии возрастает инверсия населённости. Добавление в газовую смесь атомов гелия Не приводит к снижению её температуры, что увеличивает мощность лазера. Предельная температура газовой смеси не должна превышать 700 - 800 °К. Гелий обладает большой теплопроводностью. Поэтому он способствует быстрому отводу тепла из центральной части электрического разряда. Населённость верхнего рабочего уровня энергии W 5 возрастает за счёт квантовых спонтанных переходов молекул СО? с энергетических уровней, расположенных выше уровня энергии W5. В электрическом разряде происходит изменение состава газовой смеси за счёт распада молекул углекислого газа СО? на молекулы угарного газа СО и атом кислорода О. Затем молекулы СО распадается на атомы углерода С и кислорода О. Атомы углерода С осаждается на электродах, стенках газоразрядной трубки, ухудшая работу лазера. В результате может прекратиться генерация лазерного излучения. Поэтому в активную среду СО?-лазера вводят небольшое количество паров воды, стимулирующих реакцию Катализатором такой реакции является платина, из которой сделаны электроды. Пары воды Н20 способствуют освобождению нижних рабочих уровней энергии за счёт неупругих столкновений с молекулами СО2. Молекулярные лазеры являются наиболее мощными газовыми лазерами. Они могут работать в непрерывном и импульсном режимах. Такие лазеры обладают высоким к. п. д. СО2 - лазеры широко используются в технике, например, для сварки, резки металлов, в системах точных измерений, лазерного разделения изотопов урана и др. жүктеу/скачать 242,16 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|