3631 ИЗУЧЕНИЕ ЛАЗЕРА НА МОЛЕКУЛЯРНОМ АЗОТЕ

Цель работы: изучение   принципа  работы  газоразрядных  лазеров  на  самоограниченных переходах и исследование энергетических и временных характеристик импульсов излучения N2-лазера.

 

 

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ

Среди импульсных газоразрядных лазеров важное место занимают лазеры на так называемых “самоограниченных переходах”. Отличительной чертой этих лазеров являются высокая импульсная мощность, очень короткая длительность импульсов излучения и сравнительно высокий к.п.д.

Обобщенная схема энергетических уровней этого класса лазеров приведена на рис. 1.

Верхний лазерный уровень (3) является резонансным и, в связи с этим, эффективно возбуждается в плазме газового разряда при столкновениях с электронами.

Нижний  лазерный  уровень  является метастабильным или квазиметастабильным.

Сечение возбуждения этого уровня из основного состояния значительно меньше, чем резонансного уровня. Заселение нижнего лазерного уровня происходит в основном в результате оптических переходов с верхнего лазерного уровня и с других выше расположенных энергетических уровней. В связи с тем, что время жизни верхнего лазерного уровня значительно меньше времени жизни нижнего лазерного уровня, инверсия населенностей между этими уровнями возможна лишь в течение промежутка времени, определяемого эффективным временем жизни верхнего лазерного уровня. Спустя это время населенность нижнего лазерного уровня достигает значения населенности верхнего уровня и инверсия исчезает. Отсюда и название таких переходов – «самоограниченные». Необходимым условием создания инверсии населенностей на «самоограниченных переходах» является превышение скорости возбуждения верхнего лазерного уровня над скоростью возбуждения нижнего лазерного уровня.

К активным средам газоразрядных лазеров, работающих на «самоограниченных» переходах, относятся такие атомы и молекулы, как Ne, Ar, Kr, Xe, Pb, Cu, Au, Ca, N2, H2.

Среди молекулярных лазеров, работающих на «самоограниченных» переходах, наибольший практический интерес представляет атомный лазер. В настоящее время он является одним из наиболее мощных и эффективных лазеров ультрафиолетового диапазона. Энергетическая структура молекулы и физические процессы, приводящие к образованию инверсной населенности между определенными уровнями, значительно сложнее, чем у атомов и ионов. Это связано с тем, что полная энергия молекулы складывается не только из энергии электронного взаимодействия, но и из энергии колебаний ядер относительно равновесного состояния и энергии вращения молекулы как целого.

Энергетические состояния молекулы азота,  принимающие участие    в   образовании     когерентного излучения, приведены на рис. 2. Полная энергия молекулы для различных электронных состояний представлена в зависимости от межъядерного расстояния атомов азота. Каждой из электронных конфигураций соответствуют свои колебания ядер. Колебательные уровни энергии изображены горизонтальными линиями в пределах соответствующих потенциальных кривых. Ядра атомов в результате взаимодействия с электронами имеют свои положения равновесия, около которых они могут совершать колебания.

Вращательные уровни энергии для простоты не приведены. Верхним лазерным состоянием является электронно-колебательное состояние С3Пu. Время жизни этого состояния составляет ~ 40 нс. Равновесное расстояние состояния С3Пu совпадает с соответствующим равновесным расстоянием в основном электронном состоянии.

Нижним лазерным состоянием является электронно-колебательное состояние B3Пg, имеющее время жизни 9 мкс. Потенциальная кривая этого состояния смещена относительно основного электронного состояния.

Еще одним состоянием, имеющим важное значение в динамике процессов в активной среде N2 лазера, является состояние А3Σ+u, которое является метастабильным. Потенциальная кривая этого состояния еще более смещена относительно потенциальной кривой основного состояния.

Верхнее лазерное состояние может оптически распадаться в нижнее лазерное состояние и в основное. Состояние В3Пg оптически может распадаться только в метастабильное состояние А3Σ+u.

Лазерное излучение образуется на переходах С3Пu→В3Пg (вторая положительная система полос) и на переходах В3Пg→А3Σ+u (первая положительная система полос).

Оптические переходы С3Пu→ В3Пg соответствуют излучению в ультрафиолетовой области спектра (λ≈3371 Ǻ), а переходы В3Пg→ А3Σ+u –  ближней инфракрасной области спектра.

Оптические переходы из состояния А3Σ+u в основное состояние Х1Σ+g запрещены правилами отбора. Расселение метастабильного состояния А3Σ+u происходит только в результате столкновения молекул азота, находящихся в этом состоянии, со стенками разрядной трубки или с другими молекулами.

Смещение потенциальных кривых состояний В3Пg и А3Σ+u относительно основного электронного состояния Х1Σ+g является определяющим.

Селективное заселение верхнего лазерного состояния происходит под воздействием электронного удара или соответствующего монохроматического излучения.

Процессы возбуждения рабочих уровней молекулы азота, приводящие к образованию лазерного излучения на переходах С3Пu→В3Пg и В3Пg→А3Σ+u, объясняются с помощью принципа, носящего название принципа Франка-Кондона. Этот принцип базируется на том соображении, что ядра молекул обладают относительно большой массой и колеблются сравнительно медленно. Перестройка же состояний движения легких электронов под влиянием поглощения света или электронного удара происходит чрезвычайно быстро. Поэтому переход под влиянием поглощения света или соударения с электроном плазмы с одной потен­циальной кривой на другую происходит при неизменном расстоянии между ядрами.

Каждому значению полной энергии колеблющейся молекулы на энергетической диаграмме соответствует горизонтальная линия. В точках пересечения горизонтальных линий с потенциальной кривой вся энергия потенциальная, а кинетическая энергия колебания ядер равна нулю; в остальных точках часть энергии потенциальная, часть кинетическая. В те моменты, когда кинетическая энергия равна нулю, ядра максимально смещены из своих положений равновесия и их скорость проходит через нулевое значение. При прохождении через положения равновесия ядра движутся с наибольшей скоростью. Поэтому чаще всего они находятся в положениях, близких к максимальным смещениям. В результате и акты возбуждения молекулы под действием электронного удара или поглощения света чаще всего будут приходиться на те моменты, когда ядра наиболее смещены из положения равновесия. Переходы с одной кривой на другую изображаются вертикальными линиями, проведенными из концов горизонтальных линий, изображающих полную энергию колеблющейся молекулы.

Для обеспечения возбуждения верхнего лазерного состояния в плазме газового разряда средняя энергия электронов должна быть не менее 12 эВ.

Для обеспечения высокой эффективности преобразования энергии накачки в лазерное излучение накачка лазера должна производиться за время, не превышающее времени жизни верхнего лазерного состояния. Это возможно лишь при условии создания в разряде высокой концентрации электронов.

Условия обеспечения высокой концентрации электронов в разряде с высоким значением их энергии налагает жесткие требования на параметры генератора накачки.

Обобщенная электрическая схема импульсного генератора накачки N2-лазера приведена на рис. 3.

Емкостной накопитель С0 заряжается от высоковольтного источника  напряжения  (на схеме не указан) до фиксированного напряжения U0, достаточного для пробоя разрядного промежутка. После срабатывания коммутатора K к разрядному промежутку прикладывается напряжение U0, приводящее к развитию разряда. Образование носителей разрядов в разрядном промежутке приводит к появлению в электрической цепи тока разряда. По мере развития разряда и увеличения амплитуды тока разряда в результате увеличения падения напряжения на индуктивности (индуктивность разрядного промежутка, подводящих проводов и отдельных элементов электрической цепи) снижается величина напряжения на разрядном промежутке. Последнее приводит к снижению величины энергии электронов и снижению эффективности накачки. Рассмотрение процесса развития разряда с учетом влияния разрядного контура показывает, что в начальный момент средняя энергия электронов имеет максимальное значение, но концентрация таких электронов мала. По мере развития разряда увеличивается концентрация электронов, но снижается величина энергии электронов. Таким образом, во времени максимумы по энергии электронов и по их концентрации разнесены.

Основным параметром, ответственным за снижение эффективности накачки, является индуктивность разрядного контура. Для более низких значений индуктивности разрядного контура спад напряжения на разрядном промежутке и, соответственно, снижение величины энергии электронов происходит с меньшей скоростью по сравнению с разрядным контуром с большей индуктивностью. В результате этого оказывается возможным реализовать в разряде высокие концентрации электронов при достаточных для накачки энергиях электронов.

Основными энергетическими и временными параметрами импульсного лазера являются:  а) энергия излучения в импульсе; б) длительность импульса излучения;  в) импульсная мощность излучения;  г) средняя мощность излучения;  д) частота повторения импульсов.

Энергия излучения в импульсе, его длительность и импульсная мощность определяются такими факторами, как    уровень и скорость накачки, время жизни верхнего лазерного состояния, давление газа, параметры резонатора.

Средняя мощность излучения зависит от величины энергии излучения в импульсе и частоты повторения импульсов. Частота повторения импульсов определяется временем расселения метастабильного состояния A3Σ+g. В связи с тем, что расселение метастабильного состояния происходит в основном в результате столкновений со стенкой разрядной трубки, процессом, определяющим достижение возбужденными молекулами азота стенок разрядной трубки, является процесс диффузии. Для диффузионных процессов время, в течение которого частица удаляется из одной точки в другую, отстоящую на расстояние d, определяется выражением:

τ диф= d2/λυт ,

где      d – расстояние между точками наблюдения; λ – длина свободного пробега частиц;   υт – средняя тепловая скорость диффундирующих частиц.

Для типичных размеров разрядного капилляра азотного лазера d=0,3 см и давления азота в активном элементе РN2 = 30 Торр время диффузии составляет порядка 2 мс. Это время соответствует предельной частоте повторения импульсов fmax = 500 Гц.