между колебательными и вращательными уровнями соответствуют в общем случае меньшие, по сравнению с электронными, уровни разности энергии. Спектральные линии такого излучения лежат обычно в инфракрасной области и даже в диапазоне микроволн.

В настоящее время известно много лазеров, активной средой в которых являются молекулярные газы и их смеси. Первый молекулярный лазер, созданный К. Пателем в США в 1964 г., остается до сих пор самым распространенным и особенно широко используемым в лазерных технологиях. Этот лазер работает на вынужденных переходах между колебательными уровнями молекулы СО2 (рис. 21). Молекула СО2 имеет линейную структуру, в которой атомы кислорода (О) могут совершать симметричные (мода v,), деформационные

(=> /

Деформационные 9j

Асимметричные

ОС о

- (0001

Рис. 21. Типы колебаннп н схема основных энергетических уровней молекул COj и N2

(мода vj) и асимметричные (мода V3) колебания относительно атома углерода (рис. 21, й). Употребляемые для описания состояний такой молекулы квантовые числа Vj,v2, V3 характеризуют число квантов, соответствующих колебанию данного типа.

Использование активной среды на основе чистого СО2 не позволяет получить хорошие лазерные характеристики. Это связано с невысокой эффективностью процессов возбуждения и поддержанием инверсии населенностей между уровнями 66, 64 и ез молекулы COj.

Резкий рост показателей СОг-лазера был достигнут введением в состав смеси N2 и Не. Молекула N2 имеет колебательный энергетический уровень v=l, почти точно совпадающий с уровнем 65 (001) молекулы СО2. Поскольку переход F,2-*-ei для молекулы азота безызлучательный, то она является эффективным «донором» для молекулы СО2 аналогично атому гелия для атома неона в He-Ne-лазере. В С02-лазерах молекулы Не способствуют расселению нижних уровней 64, ез, 62 молекулы СО2 и обеспечивают выравнивание и понижение температуры смеси. Вместо Не можно применять с той же целью пары воды. Характеристики активной среды в большой мере определяются системой накачки и назначением лазера.

В сравнительно маломощных лазерах, возбуждаемых с помощью непрерывного самостоятельного разряда, тепловой режим работы удается обеспечить за счет теплопроводности через стенки разрядной трубки. В этом случае смесь СО2: : N2: Не в соотношении 1 : 1 : (3 ... 6) содержится в стеклянных трубках диаметром 10-30 мм суммарной длиной до 200 м при давлениях до 0,5 кПа.

Повышение мощности лазера возможно только при принудительном охлаждении смеси периодической прокачкой отработавшего газа через холодильник. Для этого в схему лазера включают систему подготовки рабочего тела, состоя-1цую из холодильника и вентилятора. И наконец, в самых моиных лазерах открытого цикла требуется непрерывное производство и подача рабочего тела в зону генерации. При -JTOM интерес представляют составы активных сред, в которых гелий заменен водородом или водой. В отличие от ге-тия, оптимальное содержание этих примесей не превышает нескольких процентов. Но наибольший интерес к смесям СО2-N2-Н2О объясняется возможностью получения их в процессе сжигания углеводородных топлив и их использовании в СОг-газодинамических лазерах (ГДЛ). Активная среда СО2-ГДЛ содержит компоненты СО2-N2-Н2О в соотношении 8:90:2 при давлениях в зоне генерации 0,2:1,кПа, ло-лученныс в результате быстрого расширения в сверхзвуковом сопле. . . -

Использование для накачки несамостоятельного разряда позволяет реализовать импульсные СОг-лазеры высокого давления, ;в которых активная среда испытывает давление до

нескольких атмосфер. Лазеры такого типа получили наименование TEA С02-лазеров, т. е. СОг-лазеров атмосферного давления с поперечным возбуждением (Transversly Excited Atmospheric).

Оптимальная температура активной среды для СОг-лазе-ров составляет 300-400 К и может несколько снижаться с ростом давления. Из молекулярных лазеров наиболее близким к СОг-лазерам по энергетической схеме является N2O-лазер, в котором активной частицей является молекула N2O, имеющая лазерные переходы в диапазоне 10,6-11,0 мкм, причем в роли «донора» используется молекула N2.

Молекулярный лазер на окиси углерода (СО) обладает существенными особенностями, которые отличают его от других молекулярных лазеров, хотя, как и СОг-лазер, он работает на колебательно-вращательных переходах в основном электронном состоянии. Структура колебательных энергетических уровней молекулы СО характеризуется небольшой

Рнс. 22. Схема энергетических уровней молекулы СО

ангармоничностью, т. е. энергия, отдаваемая молекулой, находящейся в нижнем энергетическом состоянии, несколько превышает (на величину Де) энергию, которую способна принять молекула, находящаяся в верхнем энергетическом состоянии (рис. 22),

Из-за уменьшения расстояния между соседними уровнями вероятность столкновения с передачей энергии возбуждения от частиц, находящихся на нижних энергетических уровнях, к частицам на верхних уровнях превышает вероятность

;братного процесса, требующего преодоления энергетического барьера, равного Ае. Лазерная генерация может возникнуть \ между произвольной парой энергетических уровней, если снс-гома находится в состоянии инверсии. Конечное состояние ьчного лазерного перехода может служить начальным со-гоянием для другого. Молекула СО на нижнем лазерном \ ровне может быть снова возбуждена при соударении, а ее "озврат в основное состояние, которое в общем случае нахо-штся ниже уровней лазерных переходов, не является необходимым условием. Вследствие этого в излучение может быть переведено свыше 90 % энергии, получаемой средой от сис-п;мы накачки. Каскадный характер переходов приводит к iicKOTopoMy разбросу длин волн генерации, в результате ла-icp одновременно работает в целой спектральной полосе ->... 6,5 мкм.

Эффективность активной среды зависит от ее температуры (температура кипения СО равна 83К), при температуре "пльшей 400К инверсию получить почти невозможно. Рабо-пя смесь СО-лазеров помимо СО включает молекулы Аг, \2, Не, О2.

Способы возбуждения СО-лазеров практически не отличаются от лазеров на СО2. Они эффективно накачиваются при самостоятельном и несамостоятельном разряде, а также ппи глубоком охлаждении в сверхзвуковом потоке.

К недостаткам активных сред на основе молекулы СО, на-яду с низкими температурами для их эффективного псполь-ования, следует отнести токсичность рабочей смеси, чтотре-"ver принятия специальных мер зашиты. Имеется еще ряд ак двухатомных, так и многоатомных молекул, на которых получена генерация, например Н2О (27,9 мкм, 118,6 мкм), MCN (337 мкм) и др. Однако их использование в лазерах ущественно меньшее, чем СО и особенно СО?.

2.3.5. Химически реагирующие смеси

Интерес к использованию в лазерах химически реагирую-пщх смесей связан прежде всего с тем, что п ходе химических реакций может выделяться значительное количество энергии, По крайней мере, часть которой, может возбуждать электронные колебательные и вращательные состояния молекул. Критериями при выборе химической системы служат распределение энергии в молекулах, возникающих в результате химиче-•"кой реакции, и релаксационные процессы.

Прежде всего, число образующихся возбужденных молекул должно превышать количество молекул в низших энергетических состояниях (возможность создания инверсии насе ленностей). Кроме того, время жизни частиц в возбужден ном состоянии не должно быть слишком малым. Б настоящее время в химических лазерах используются колебательно-вращательные переходы молекул. Более подробно хими ческие реакции, приводящие к созданию активных сред, будут рассмотрены ниже.

Самыми подходящими для создания активных сред являются реакции окисления или горения, в .ходе которых выделяются большие количества энергии. Поэтому наиболее ча сто в качестве горючего в таких системах используются водород или дейтерий, реже углерод и металлы, а в качестве окислителей - молекулы галогенов и кислород. Поскольку хранение этих компонентов в чистом виде сопряжено с известными сложностями, то иногда применяются и соединения, содержащие эти компоненты: гидриды, SFe, NF3, N2F4, N2O Хотя возбуждение излучающих молекул происходит вместе с их образованием в ходе химической реакции, для инициирования реакций могут быть использованы тс же способы что и для накачки лазеров, в частности, световое излучение мопных импульсных ламп, самостоятельный и несамостоятельный -электрический разряд, нагрев компонентов, лазер ное или ионизирующее излучение. Длины волн излучения химических лазеров такого типа лежат в ближней инфракрасной области в диапазоне 3-6 мкм.

К активным средам, образующимся в ходе химически.х псакций, могут быть отнесены и рабочие тела фотохимических пли фотодиссоционных лазеров. Рабочим веществом таких лазеров являются соединения иода - перфторпропилио-диды ((СРз)2А5Л, C3F7J и др.), а активной частицей - атом /, образующийся в ходе диссоциации под действием импульс ных световых источников. При этом рабочее вещество содержится в стеклянных трубках под давлением до 15 кПа, пе риодически освещаемых импульсными лампами. Лазерный переход возбужденного атома иода соответствует длине полны А,= 1,315 мкм.

С еще меньшим основанием, чем фотодиссоционные, к х» мическим лазерам могут быть отнесены лазеры на эксимер-ных молекулах, поскольку возбуждение активных частиц i них происходит не в результате химической реакции, а по/

действием внешнего источника энергии системы иакачки. Однако поскольку рабочие процессы в активной среде лазе-оа сопровождаются химическим взаимодействием, то в этом мысле такие активные среды относятся к химически реагирующим смесям.

Активной частицей в эксимерных лазерах являются мо-.скулы - димеры некоторых инертных газов и их галоидные оединения, способные существовать устойчиво только в возбужденном состоянии. Собственно название эксимер-обра-ювание от слов excited dimer (возбужденный димер), строго говоря, относится только к молекулам типа Хе2, Кг2, Аг2, но сейчас это название применяют и к другим подобным- со-одинениям инертных газов, как правило, их галоидам ArCl, KrF, XeCl, XeF и др. Время жизни таких молекул в возбужденном состоянии составляет 10"-10-" с, в то время как в основном состоянии их эффективное время жизни не превосходит 10-*-10- с, поэтому и опустошение нижнего лазерного уровня происходит естественным путем.

В качестве источников накачки эксимерных лазеров ис-юльзуются самостоятельный и несамостоятельный электри-lecKHH разряд в газовых смесях, состоящих из инертных га-ов и галогенов в соотношении (100... 1000): 1 соответствен-40. Уникальной особенностью лазерных переходов в активных средах эксимерных лазеров является спектральный ди-тазон, перекрываюпхий практически всю ультрафиолетовую )бласть.

2.3.6. Плазма

Рекомбинация свободных электронов с положительными онами в плазме может привести к эффективному накоплению атомов или ионов в возбужденном состоянии. В газовых азерах рабочее тело также может находиться в частично "ЛИ даже полностью ионизированном состоянии, однако при пом возбуждение активной среды не связано с процессами еко.мбинацин плазмы. Рекомбинирующая плазма должна >дновременно характеризоваться высокой концентрацией •лектронов (102°... 102 м-) и достаточно низкой электрон-"оп температурой (100К), т. е. это плотная высокоионизиро-нанная плазма, электроны которой переохлаждены. Разность чергии между электронными уровнями атомов и энергией отрыва электрона соответствует видимой, ультрафиолетовой и рентгеновской части спектра. Именно этим объясняется повышенный интерес к плазменным лазерам.