J' < J(17.11)
При цьому правила відбору для коливальнообертальних переходів ΔV=±1; ΔJ = 0 ±1 дозволяють спростити (17.11) за допомогою співвідношень Eν'|в,біля| — Еν = hν, J = J' + 1:
(17.12)
Інакше кажучи, часткова інверсія реалізується тільки|лише| в Р-гілці (значення J для. обертальний підрівня верхнього лазерного-рівня на одиницю менше, ніж для обертального підрівня -нижнього рівня) і для значень / нижнього рівня, определяв-176
мых запасом коливальної енергії, тобто значенням Тν:
(17.13).
В той же час при повній|цілковитий| коливальній інверсії можливий посилення на всіх трьох гілках: P, Q і R.
Можливість|спроможність| існування часткової інверсії є|з'являтися,являтися| важливою особливістю молекулярних систем. У коливає-обертальних спектрах інверсія може здійснюватися не тільки|не лише,не те що| -а рахунок|лічба| відмінності в населенностях коливальних рівнів. Істотне|суттєвий| значення має розподіл населенностей в коливальному рівні по обертальних підрівнях. Для переходів Р-гілки, що йдуть в поглинанні від J +1 нижнего до J верхнього коливального рівня, а у випромінюванні від J — 1 верхнього до J нижнего, реалізується своебразная ситуація.
Уявимо собі для простоти міркувань таку картину: населеності двох коливальних рівнів V і V+1 рівні один одному. Повній|цілковитий| інверсії пет. Розподіли населенностей по підрівнях в цих двох коливальних рівнях повністю тотожні один одному і є|з'являтися,являтися| бодыгмановскими. Підрівень.J — 1 населений сильніше, ніж J. У свою чергу|своєю чергою| J населений сильніше, чом J+1, і т.д. При рівності коливальних населенностей рівнів V і V+1 їх підрівні Jv і Jv+i населені однаково. Аналогічно, однаково населені підрівні (J—1)ν і (J— 1)ν+1. Отже, підрівень (J— 1)ν+1 населений сильніше, ніж підрівень Jv Більш низько розташований|схильний| підрівень верхнього рівня є|з'являтися,являтися| нижним на шкалі обертальних енергій, оскільки|тому що| на своєму коливальному рівні його обертальна енергія менша. Але|та| він розташований|схильний| вище на шкалі коливальних енергій, і тому для коливає-обертального переходу в Р-гілці можлива інверсія, названа|накликати| вище частковою. Зазвичай|звично|. позначають|значити| символом J підрівень нижнього коливального рівня. За відсутності інверсії що коливають населенностей переходу V+1→V часткова інверсія може здійснюватися тільки|лише| для переходів J — 1 →J, тобто в Р-гілці для значень J, що даються формулою (17.13).
Отже, поки|доки| не пройшла|минула,спливла| V — V-релаксація, існує повна|цілковитий| коливальна інверсія, обумовлена характером|вдача| розподіл енергії елементарного екзотермічного хімічного акту по коливальних станах молекул продуктів реакції. Поки|доки| і № пройшла|минула,спливла| V — Т-релаксація, існує часткова обертальна інверсія в Р-гілці. Розрізняти ці два види інверсії легко по спектру можливих частот генерації.
Після досягнення інверсії всі властивості хімічних лазерів повністю співпадають|збігатися| з властивостями решти всіх молекулярних газових лазерів, що, втім, справедливо і при будь-якому іншому способі створення|створіння| активного середовища|середа|.
Найважливішим же питанням для хімічних лазерів є|з'являтися,являтися| питання про вибір хімічної реакції, що створює інверсію.
Розглянемо|розгледимо| просту модель (мал. 17.1). Хай|нехай| рівень 2 заселяється в процесі хімічної реакції із швидкістю W. Тоді в даному дворівневому наближенні швидкісні рівняння мають вигляд|вид|
(17.14)
де сенс|зміст,рація| часів т ясний з|із| мал. 17.1. Стаціонарне значення різниці паселенностей
(17.15)
досягає максимального значення
(17.16)
де 1/τефф = 1/τ2 + 1/τ21 при τ1 << τ21. Це максимальне значення повинне перевищувати деяке порогове для генерації значення
Мал. 17.1. До розгляду кінетики накачування хімічного лазера.
nпор Отже, швидкість хімічного накачування повинна перевищувати деяке значення, визначуване щільністю порогової інверсії і ефективним часом релаксації:
(17.17)
Приймемо тепер, що швидкість хімічного накачування тотожна швидкості хімічної реакції. Хай|нехай| дана реакція може бути записана у вигляді|вид|
A + B → AB*(7.18)
Тоді швидкість отримання|здобуття| продукту АВ* визначається твором|добуток| концентрацій початкових|вихідний| реагентів [А] і [В] і так званої константи швидкості реакції До:
W = [A][B]K(17.19)
Величина До підкоряється закону Аррепіуса:
(17.20)
де Eа — так звана енергія активації реакції, а предекспоненціальний множник К0 слабо залежить від температури і завжди менше величини, визначуваної числом газокінетичних зіткнень|сутичка| <σν>:
K0 ≤ <σν> (17.21)
При 300 До і звичайних|звичний| значеннях енергії активації (Еа ≈ 10—20 ккал/моль) константа швидкості реакції дуже мала : (К ≈ 10-18 — 10-26 см3/с), що не може забезпечити виконання умови (17.17). Для хімічного накачування потрібні реакції з шергией активації, що обчислюється одиницями кілокалорій на моль. Для довідок відмітимо|помітити|, що енергії 1 еВ відповідає енергія 23 ккал/моль.) Такі|настільки| малі енергії активації можуть бути тільки|лише| у|в,біля| реакцій за участю вільних атомів або вільних радикалів. Але|та| приготування вільних хімічно активних атомів:.тн вільних радикалів украй|надто| енергоємно. Енерговиділення радикальних реакцій при 300 До складає величину того, що і витрати|затрата| енергії на приготування радикалів. При розгляді питання про хімічне накачування виникає, а ким чином, проблема такого зниження витрат|затрата| енергії на видання радикалів, при якому ініціація хімічної реакції типу (17.18) не була б енергоємною. Тоді і випромінювальний енергознім, приблизно рівний енерговиділенню хімічної реакції, міг би помітно перевищувати енергію ініціації реакції. У ідеальному граничному випадку можна було б надягай|надівати| на здійснення чисто хімічного лазерного ефекту, отриманого без яких-небудь витрат|затрата| енергії на ініціацію
Обговорювана проблема вирішується|розв'язуватися| використанням ланцюгових|цепних| і а шшоддерживающихся хімічних реакцій. У цих реакціях кожен хімічно активний центр (радикал, атом) відтворюється в процесі реакції. Багатократне|багаторазовий| використання радикал переробляє у випромінювання запас хімічної енергії суміші. Багатократність|багаторазовість| включення|приєднання| радикалів в реакції в ході а іншого хімічного процесу може перекрити енерговитрати а а створення|створіння| того невеликого числа радикалів, яке потрібне ','ш початку розвитку ланцюгового|цепного| процесу.
Дійсно, щоб реалізувати реакції типу (17.1) або 17.18), потрібно мати атоми (радикали) А і (або) В. У найпростішому випадку ми маємо двоатомні молекули А2 і В2. Тоді продукт АВ зазвичай|звично| може бути отриманий|одержаний| в реакції
A2 + B2 → 2AB(17.22)
Але ця пряма неланцюгова|цепна| реакція має велику енергію активації і йде з|із| швидкістю, недостатньою для утворення інверсії вище за порогову.
Застосуємо тепер зовнішню дію, що ініціює, наприклад піддамо газ дії інтенсивного спалаху достатнього жорсткого УФ випромінювання. В результаті частина|частка| молекул дисоціює:
A2 + hνуф → 2А(17.23)
і можливе встановлення швидкої ланцюгової|цепної| реакції:
A + B2 → AB* + B, B + A2 → AB + A, A + B2 → AB* + B,(17.24)
Другий акт в ланцюзі|цеп| (17.24) відновлює початкову|вихідний| ситуацію, і вироблення бажаного продукту АВ* продовжується|тривати| у відсутність дії, що ініціює. Проте|однак| реальний ланцюг|цеп| не нескінченний|безконечний|, активні центри існують кінцевий|скінченний| час і врешті-решт|кінець кінцем,зрештою,урешті-решт| гинуть. При аналізі ланцюгових|цепних| реакцій використовується поняття хімічної довжини ланцюга|цеп| νх, рівного відношенню|ставлення| концентрації молекулярного продукту АВ до концентрації початкових|вихідний| (що ініціюють) радикалів А.
По суті, довжина vx визначається відношенням|ставлення| швидкості найповільнішого акту ланцюга|цеп| до швидкості загибелі активних центрів. Очевидно, що чим довше ланцюг|цеп|, тим менше частка|доля| енергії першої ініціації в загальному|спільний| енергобалансі реакції і, отже, тим вище до. п. д. можливого лазера. Але|та| для лазерного ефекту потрібний не просто молекулярний продукт АВ* потрібні збуджені молекули АВ*. Завжди існуючі процеси релаксацій приводять|призводити,наводити| до загибелі збудження, тобто загибелі інверсії. Тому роботу хімічного лазера слід характеризувати, вводячи|запроваджуючи| поняття лазерної довжини ланцюга|цеп| νл визначуваною як відношення|ставлення| швидкості вироблення збуджених молекул АВ* до швидкості загибелі інверсії із-за релаксації. Причини загибелі радикалів і релаксації інверсії, в принципі, однакові — газокінетичні зіткнення|сутичка|. Але|та| релаксація протікає швидше, тому νл < νx, і саме лазерна довжина ланцюга|цеп| визначає до. п. д. лазера.
Хай|нехай| на створення|створіння| початкового|вихідний| радикала потрібна енергія Ед. Кожен радикал спрацював νл разів. Енерговитрати джерела ініціації (його до. п. д. рівний ήі), що доводяться|припадати,приходитися| тоді на один акт корисного випромінювання, складають Ед/ ήі νл. Якщо енерговиділення акту реакції утворення однієї молекули АВ* рівне ЛЯ і частка|доля| цієї енергії ήр йде в потрібне нам коливання молекули АВ, то в одному акті випромінюється енергія ΔНήр, і до. п. ή.* ініціації хімічного лазера, званий також часто зовнішнім до. п. д., виявляється|опинятися| рівним
(17.25)
Цей коефіцієнт при великій лазерній довжині ланцюга|цеп| може перевищувати, навіть значно перевищувати, 100%. Саме у цьому поміщена|ув'язнений| перевага хімічних лазерів.
Разом з|поряд з,поряд із| до. п. д. ініціації представляє|уявляти| інтерес величина хімічного до. п. д. лазера ήх, за визначенням рівного it носінню енергії лазерного випромінювання Qл до загального|спільний| запасу магічної енергії в системі Qx
(17.26)
Величина ήх важлива|поважний| перш за все|передусім| тому, що хімічна енергія зовсім не є|з'являтися,являтися| дармовою, вона поміщена|ув'язнений| в початкових|вихідний| реактивах, приготування яких може бути вельми|дуже| енергоємним. З|із| попереднього розгляду очевидно, що
(17.27)
де [А]0 — початкове|вихідний| число радикалів при ініціації.
Запас хімічної енергії в системі визначається величиною енерговиділення реакції утворення однієї молекули АВ* і гем, скільки таких молекул може бути утворено заданим складом реагентів початкової|вихідний| суміші. Останнє дорівнює числу гех молекул початкової|вихідний| суміші, які входять в результуючий молекулярний продукт в стехиометрично меншої концентрації. Це число, що позначається|значиться| символом [N], у разі|в разі| реакції твань (17.22), або, точніше кажучи, реакцій (17.23), (17.24), рівно концентрації [А2] молекул А2. Виходитимемо з простого випадку. Тоді
(17.28)
(17.29)
Хімічний до. п. д., як і до. п. д. ініціації, тим більше, чим довше лазерний ланцюг|цеп| і чим більше до. п. д. реакції ήр. Вмєєте з|із| тим глибина ініціації, тобто відносне число активних центрів [А]0/[А2], створених джерелом ініціації, також визначає ήх. На жаль, подальше|дальший| порівняння ήх і ήл проводити важко|скрутно|, оскільки|тому що| лазерна довжина ланцюга|цеп| ул складним чином залежить від кінетики ланцюгової|цепної| реакції і від початкової концентрації радикалів [А]0. Часто із|із| зростанням|зріст| ступеня|міра| ініціації довжина ланцюга|цеп| ήл зменшується, при цьому ήх і Qл можуть зростати, а ή0 — падати. У реальних умовах шукається компромісне рішення|розв'язання,вирішення,розв'язування|.
Згадані на початку цієї лекції галогеноводородиые лазери працюють в середньому ІЧ діапазоні. Для них характерні|вдача| наступні|слідуючий| довжини хвиль: HF-лазер — 2,7 мкм, НС1-лазер — 3,7 мкм, UBr-лазер — 4,2 мкм, DF-лазер — 4,3 мкм. При цьому слідує|прямувати| мати на увазі, що складна структура коливає-обертальних переходів в цих молекулах при сильному коливальному збудженні дозволяє отримувати|одержувати| генерацію на багатьох лініях в широкому діапазоні в околиці вказаних довжин хвиль. Всі ці довжини хвиль цікаві самі по собі, але|та| звертає на себе увагу величина кванта випромінювання DF-лазера, співпадаюча з|із| енергією коливання 00°1 молекули С02. Тому хімічно збуджений DF може бути з|із| успіхом застосований для створення|створіння| хімічних С02-лазерів шляхом|колія,дорога| використання резонансной передачі енергії збудження.
До теперішнього часу розроблені як імпульсні хімічні лазери, так і хімічні лазери безперервної дії.
У імпульсних лазерах у взаємно стабільній суміші газів імпульсна ініціація включає ланцюгову|цепну| реакцію, що приводить|призводити,наводити| до випромінювання. Слід тільки|лише| пам'ятати, що реакція повинна бути швидкою, оскільки|тому що| в поволі|повільно| протікаючій квазистацио-парній реакції процеси релаксацій приводять|призводити,наводити| до загибелі інверсії, зрівноваживши|урівноваживши| всі міри свободи. Тут є видимим аналогія з|із| газодинамічним лазером, охолоджування газу в якому також повинне бути швидким.
Для імпульсної ініціації застосовуються різного роду процеси фотолиза і радіолізу, головним чином УФ дисоціація і дисоціація електронним пучком. Як джерела УФ випромінювання застосовуються іскрові розряди, вибухаюча тяганина, ковзаючі розряди, кварцові лампи. Характерна|вдача| тривалість імпульсів випромінювання цих джерел складає приблизно 1 мкс. Електронні пучки можуть забезпечувати більш короткочасну дію (1—100 не), по їх загальна|спільний| ефективність нижча.
Для отримання|здобуття| інверсії бажані найбільш прості молекули — продукти реакцій, переважно всього — двоатомні гетероядериые молекули типу АВ. Інакше ускладнюються процеси V — F-релаксації, та і в первинному акті екзотермічної реакції відбудеться перерозподіл хімічної енергії по мірах свободи молекули.
Якнайкращим|щонайкращий,найкращий| прикладом|зразок| є|з'являтися,являтися| HF-лазер. Генерація спостерігається, головним чином, в коливальній смузі переходу V = 2→V = 1 в діапазоні 2,7 мкм. Для отримання|здобуття| спочатку атомарного фтору, а потім фтороводню використовуються суміші молекул фторопосителей типа NF3, UF6, SF6, WF6 або фреонів з|із| воднем або водородсодержащими молекулами. Так, в суміші Н2: F2: 02: SF6 відносно 10: 36: 14: 10 при загальному|спільний| тиску|тиснення| 1 атм і ініціації електронним пучком отримано|одержано| енергознімання|наймання| 100 Дж/л в імпульсі тривалістю 30 не. До. п. д. ініціації досягав 800%. Тут слід звернути увагу па важливу|поважний| особливість хімічних лазерів, обумовлену їх хімічною природою. Суміш абсолютно чистих водню Н2 і фтору F2 нестабільна. Правилом, а не виключенням|виняток|, є|з'являтися,являтися| її мимовільні вибухи. Додавання|добавку| кисню і SF6 стабілізує суміш. Вибір початкової|вихідний| суміші газів представляє|уявляти|, таким чином, в хімічних лазерах серйозну проблему не тільки|не лише| з погляду кінетики релаксації, але і з погляду кінетики ланцюгових|цепних| реакцій вибухового типу.
Великий інтерес, особливо для автономних застосувань|вживання|, має DF — С02-лазер, заснований на вже згаданій передачі энергії DF* + CO2 → DF + CO2*В імпульсах тривалістю декілька мікросекунд на хвилі 10,6 мкм отриманий|одержаний| эпергознім до 150 Дж/л.
Безперервний режим роботи хімічних лазерів можливий при змішуванні газів, наприклад в соплових блоках. Оскільки|тому що| змішувати в потоці можна взаємно абсолютно|цілком| нестабільні реагенти, а потім швидко, з|із| швидкістю, близькою до звукової, видаляти|знищувати,віддаляти| продукти їх реакції, то стає можливим чисто хімічний лазер без ініціації. Найцікавіший тут DF — С02-лазер, в якому збуджені молекули DF* виникають в ході ланцюгової|цепної| реакції, що підпалюється при змішуванні стійкого радикала N0 з|із| молекулярним фтором, що дає атомарний фтор, службовець активним центром ланцюгової|цепної| реакції:
NO + F2 → NOF + F(17.30)
F + D2 → DF* + D, D + F2 → DF* + F,(17.31)
До збудженого DF* нижче по потоку підмішується С02, що порушується|збуджується| по добре відомій схемі
DF* + CO2 → CO2* + DF (17.32)
Відробіток|відробляння| газодинамічної системи, що реалізовує таку схему, представляє|уявляти| відомі труднощі зважаючи на|внаслідок,унаслідок| взрывоопасное™ використовуваних сумішей і високої токсичності продуктів реакції. На мал. 17.2 показана відповідна схема проточної реакційної судини|посудина|, забезпеченої на вихлопі лазерним резонатором.
Мал. 17.2. Схема проточної реакційної судини|посудина| хімічного DF — С02-лазера. Хвиляста стрілка показує вихід випромінювання через частково прозоре дзеркало.
По суті, ця схема близька до газодинамічного лазера і зустрічається з|із| тими ж труднощами конструювання резонатора лазера з|із| швидкою поперечною протокою|протік| активної речовини. Приведена потужність такого лазера може досягти сотень ватів в перерахунку па швидкість витрати активної речовини 1 г/с.
Мабуть|очевидно|, в строгому|суворий| сенсі|зміст,рація| слова хімічними слід рахувати такі лазери з|із| хімічним механізмом збудження активного середовища|середа|, для яких до. п. д. ініціації (зовнішній до. п. д.) перевищує одиницю.
Прикладом|зразок| зворотної ситуації є|з'являтися,являтися| йодний фотодисоціаційний лазер.
У фотохімії добре відомо, що в деяких випадках атоми більш охоче вступають в реакції приєднання, будучи електронний збуджений. Отже, при дисоціації можуть виникати електронні збуджені атоми. Це означає, що принаймні частина|частка| енергії зв'язку атомів в молекулі може витратитися на збудження уламка|осколок| молекули. Якщо фрагментом дисоціації є|з'являтися,являтися| атом, то збудженими можуть опинитися тольки його електронні рівні енергії. Але|та| початкова|вихідний| молекула стійка, отже, па розривши зв'язку необхідно витратити, енергію, очевидно, велику тієї частки|доля| енергії, яка в результаті|унаслідок,внаслідок| різного роду перерозподілів виділиться у вигляді електронної енергії атома.
Маючи на увазі процеси релаксацій, ми розуміємо, що дисоціацію треба проводити швидко. При цьому подальше|дальший| використання збуджених продуктів дисоціації для їх цепного* розмноження неприпустимо|недопустимо|, оскільки|тому що| воно приведе до загибелі збудження. Тому найбільш зручна пряма імпульсна фотодисоціація. З|із| викладеного ясно, що до. п. д. ініціації в даному випадку менше одиниці. З цієї точки зору фотодисоціаційні лазери відрізняються від тих хімічних лазерів, яким присвячена в основному ця лекція. Слідує|прямувати| все ж пам’ятати, що в рамках|у рамках| більш загального визначення, приведеного н початку лекції, фотодисоціаційні лазери є|з'являтися,являтися| хімічними лазерами.
Найбільшу популярність придбав|набути| йодний лазер на хвилі 1,315 мкм, збуджені атоми йоду в якому виходять шляхом імпульсного фотолиза молекул CF3I. Реакція відбувається|походити| по схемі
CF3I + hν → I*(3p1/2) + CF3 (17.33)
Збуджений стан йоду 2P1/2. спустошується випромінюваними переходами 2Р1/2→ 2P3/2 в рамках|у рамках| однієї і тієї ж електронної конфігурації йоду 5р5. Випромінювання не монохроматичного джерела поглинається в широкій молекулярній смузі поглинання,, збуджені атоми випромінюють у вузькій лінії, характерній|вдача| для атомних спектрів.
Оскільки|тому що| фотодисоціації можуть бути піддані більших об’ємів газу CF3I, то йодний лазер цього типу представляється вельми|дуже| перспективним для отримання|здобуття| високої імпульсної енергії.
Джерелом УФ дисоціації випромінювання служать импульсные-кварцевые лампи, вибухаюча тяганина, відкриті|відчинені| розряди.
Окрім|крім| молекул CF3I, як джерело збуджених атомів йоду знайшли застосування|вживання| молекули C3F7I і CH3І.
Лекція вісімнадцята. CO-ЛАЗЕРИ, ГАЗОВІ ЛАЗЕРИ БА ЭЛЕКТРОНВЫХ ПЕРЕХОДАХ В МОЛЕКУЛАХ
Плато в коливальних населенностях. Часткова інверсія. Особливості, спектру генерації СО-лазера. Електронні переходи в молекулах. Принцип Франка — Кондона. Азотний лазер. Водневий лазер. Ексимерні лазери.
Повернемося до молекулярних лазерів.
У середній частині|частка| ІЧ діапазону звертає на себе увагу СО-лазер, що працює в інтервалі довжин хвиль 5—6,5 мкм. Цей лазер багато в чому подібний до С02-лазера. Високий до. п. д., висока вихідна потужність, здатність|здібність| працювати в безперервному і імпульсному режимах, різноманіття методів досягнення інверсії (газорозрядне, газодинамічне, хімічне, електронно-променеве збудження), відносна близькість частотних інтервалів і можливість|спроможність| вибору довжини хвилі в порівняно широкому діапазоні істотно|суттєво| зближують ці лазери.
Як і С02-лазер, СО-лазер працює на коливає-обертальних переходах в основному електронному стані. Механізми коливального збудження молекул СО |із| подібні до механізмів збудження С02. Це — або безпосереднє збудження вищих коливальних станів СО |із| електронним ударом, в процесі хімічної реакції і т. п., або передача енергії возбуяї-дения від молекул N2, збудженого тим або іншим добре відомим нам способом. Але|та| коливальне збудження і інверсія — це різні поняття. Механізм створення|створіння| інверсії в СО-лазерах істотно|суттєво| відрізняється від такого в С02-лазерах.
Для багатоатомної молекули С02, що володіє трьома коливальними модами і малим ангармонізмом, справедлива теорія релаксації гармонійних осциляторів. Швидкий V — V -обмін, що йде по кожній з мод, встановлює в них свої коливальні температури, значення яких визначаються отриманою|одержаною| молекулою енергією і V — V -релаксацією, що йде з|із| різними швидкостями в різних модах (див. лекцію п'ятнадцяту).
Для двоатомної, тобто що володіє що однією коливає. модою, молекули З|із| такий підхід несправедливий. У випадку з відбувається|походити| релаксація істотно|суттєво| ангармонічних осциляторів. Цей процес описується системою кінетичних рівнянь, n які входять населеності всіх коливальних рівнів, константи швидкостей всіх парціальних V — V- і V — Т -релаксацій, перетини збудження, концентрації донорів, енергії возбуяедения, концентрації домішок|нечистота|, що створюють нові канали релаксації і відповідні ним константи, і т.д. Навіть якщо цікавитися тільки|лише| стаціонарним режимом і покласти все dNv/dt = 0, то залишається система приблизно 60 нелінійних рівнянь алгебри, що не зводиться, на відміну від С02, до двох- або трирівневої системи.
Результати машинного рахунку|лічба| зводяться до наступного|слідуючий|.
У системі коливальних рівнів молекули С0|із| (мал. 18.1) існує деякий|деякий| рівень V0 такий, що для рівнів V |в,біля|> V0 V—Т-релаксація йде скоріше|скоріш|, ніж V |в,біля| — V -релаксація, і навпаки — для рівнів V |в,біля| < V0 процес V — V-релаксації йде швидке. чим V |в,біля| — Т-релаксації. При цьому значення V0 залежить від температури газу, зменшуючись з|із| його розігріванням. Тому при низьких температурах, коли V0 велике, переважає V — V-релаксація. У результаті при коливальному збудженні розподіл частинок|частка,часточка| по V різко відрізняється від больцманівського. При температурі газу 150—300 К в коливальному розподілі спостерігається плато. Це плато тягнеться від V |в,біля| = 5 до V |в,біля| = 10 при 200 К при газорозрядному способі збудження в суміші з|із| азотом, но може доходити і до V= 30—35 при нижчих температурах і добре підібраних сумішах. При збільшенні температури газу від 150 до 500 К плато зникає, оскільки|тому що| падає V0, тобто зменшується роль збудження що верхніх коливають, рівнів в процесах V |в,біля| — V -обміну і росте|зростати| роль V — Т-релаксациі, а її швидкість збільшується.
Рис. 18.1. Коливальні рівні молекули СО |із|. Показано існування рівня V0, вище якого володіє поступальна релаксація, нижче —коливальна.
При великих температурах і при наявності збудження коливальний розподіл швидко прагне до рівноважного больцманівского (мал. 1.5.2)
Викладене вище свідчить про необхідність охолоджування газової суміші СО-лазерів і про доцільність включення|приєднання| в її склад добре теплопровідного гелію.
Плато в коливальних населеностях означає відсутність повної|цілковитий| коливальної інверсії. Проте|однак| обговорення, проведене в попередній лекції у зв'язку з хімічними лазерами, показало, що у відсутність коливальної інверсії можлива часткова обертальна інверсія. Тоді в генерації повинні виявлятися тільки|лише| лінії Р-гілки, що і спостерігається експериментально.
Точна формула для коефіцієнта посилення в центрі лінії доплеровского уширенного коливально-обертального переходу V→V-1, J-1→J дає
(18.1)
При рівності тих, що коливають населенностей Nv = Nv-1 і зразковій рівності обертальних констант Bv ≈ B v-1 коефіцієнт посилення позитивний, оскільки|тому що|
(18.2)
і тим більший, чим нижча температура газу Т.
Формула (18.1) і мал. 18.2 приводять|призводити,наводити| до важливого|поважний| висновку|виведення| про каскадний характер|вдача| генерації в СО-лазері. Мал. 18.3 показує, як каскадні переходи приводять|призводити,наводити| до послідовного заселення коливальних станів.
Рис. I8.2. Стаціонарний розподіл населенностей по коливальних рівнях основного електронного стану молекули СО за наявності коливального збудження (Т1 < Т2 < Т3).
Рис.. 18.3. Каскадний характер|вдача| генерації в СО |із| лазері.
Генерація на відповідних коливально-обертальних переходах відбувається|походити| при цьому послідовно із затримкою в часі. Мал. 18.3 показує також, як і чому СО-лазер працює па багатьох частотах. Разом з тим|в той же час| ясно, що через каскадність генерації (на відміну від СО2-лазера, де є|наявний| загальний|спільний| верхній рівень і тому можлива конкуренція ліній генерації) у разі|в разі| СО-лазера неможливо всю енергію, запасену в нерівноважному розподілі частинок|частка,часточка| по коливальних рівнях, перетворити в одну частоту генерації. У безперервному режимі СО-лазер працює відразу на багатьох частотах, в імпульсному режимі, як правило, відбувається|походити| послідовне перемикання частот генерації. При високому тиску|тиснення| і інтенсивному накачуванні (несамостійний розряд, підтримуваний пучком електронів) і в імпульсному режимі генерація відбувається|походити| одночасно па декількох частотах.
Дата добавления: 2015-11-04; просмотров: 20 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |