Возбуждение молекул СО2 в разряде

Процесс возбуждения молекулы СО₂ активно протекает в электрическом разряде, органи­зуемом в среде таких молекул. В этом случае внутри каждой колебательной моды n_i протекает интенсивный обмен энергией между молекулами и быстро достигается термализация – квазиравновесное состояние с распределением населенно­стей на разных уровнях моды по закону Больцмана. Это позволяет говорить о нали­чии внутримодовой температуры возбуждения :

n _k» n_o exp (– (1.1b)

Следовательно, получить инверсную населенность между уровнями одной моды невозможно. Но между разными колебательными модами обмен энергией затруднен, поэтому температуры возбуждения у них различны. Это делает возможным при соответствующих условиях образовывать инверсную населенность между двумя уров­нями, расположенными в разных модах.

Вернувшись к схеме нижних колебательных уровней (рис. 2.4), можно сделать заключение, что на роль верхнего лазерного уровня подходит расположенный в асимметричной моде метастабильный уровень 00^о1, а в качестве нижнего уровня возмо­жен либо уровень 02^о0 из деформационной моды, либо уровень 10⁰0 из симметрич­ной валентной моды. Необходимые условия для получения инверсной населенности между указанными уровнями следующие:

· возбуждение уровней осуществляется в плазме электрического разряда в газе;

· неупругие электронные столкновения с молекулами СО₂ должны избирательно возбуждать их до состояния 00^о1, оставляя свободными уровни 02^о0, 10^о0 и все нижележащие уровни;

· уровни 02^о0 и 10^о0 должны достаточно быстро расселяться.

Возможно ли в принципе обеспечить выполнение этих условий? Ответ может быть положительным, если максимумы сечений возбуждения перечисленных уровней, зависящие от энергии электронов, разнесены между собой так, что появляется возможность подбором энергии электро­нов обеспечить преимущественное засе­ление верхнего уровня при относительно малой заселенности всех остальных. На рис.2.5 представлены экспериментально полученные зависимости сечений возбуждения трех уровней молекулы СО₂. Все они имеют максимумы, и у самого низкого энергетического уровня 010 он располо­жен при значении Е_е~0,08 эВ. У предпола­гаемого верхнего лазерного уровня 001 максимум расположен при 0,3 эВ. Для отсутствующих на этом графике нижних лазерных уровней 100 и 020 мак­симумы возбуждения лежат при энергиях электронов порядка 0,16 эВ. Таким обра­зом, для избирательного возбуждения верхнего лазерного уровня необходимо, чтобы наивероятнейшая энергия электронов в разряде равнялась 0,3 эВ, то есть, чтобы электронная температура была порядка 3500 К. Для электрического разряда в газе это слишком низкая температура электронов, при которой очень неэффективно идут процессы ионизации, так что разряд оказывается не в состоянии самоподдержи­ваться. Неблагоприятным для цели направленного возбуждения только верхнего лазерного уровня является и то, что все максимумы функций возбуждения нижних колебательных уровней довольно близко расположены друг к другу, и, учитывая особенности функции распределения электронов по энергиям в плазме, невозможно избежать одновременного относительно высокого заселения всех этих уровней. Поэтому эффективность накачки молекул СО₂ не может быть достаточно высокой, обеспечивающей создание и поддержание высокой инверсной населенности.

СО₂ лазеры никогда не вошли бы в семейство мощных лазеров, если бы не удивительная особенность молекулы азота N₂, которой воспользовался Пател. Первый колебательный уровень этой молекулы практически совпадает по энергии с верхним лазерным уровнем молекулы СО₂. Как видно из схемы уровней на рис. 2.4, разница энергий этих двух уровней составляет всего лишь 18 см^–1, то есть ничтожно малую величину. Возбуждение же молекулы азота до первого колебательного уровня, как видно из рис.2.5, происходит при энергиях электронов от 2 до 2,5 эВ. При такой энергии электронов успешно протекает ионизация газовой среды. Если составить смесь двуокиси углерода с молекулярным азотом, то в самостоятельном разряде при энергии электронов порядка 2 эВ молекулы СО₂ возбуждаются очень слабо, но идет активное возбуждение молекул азота до первого колебательного уровня. Далее, оказывается, что время жизни возбужденного первого колебательного уровня молекулы N₂ очень велико (по масштабам времени микромира). Это связано с тем, что существует запрет на излучательное девозбуждение первого колебательного уровня молекулы азота, и энергия возбуждения будет сохраняться до тех пор, пока не произойдет неупругое соударение возбужденной молекулы с какой-либо частицей, способной забрать эту энергию. В смеси азота с СО₂ практически все возбужденные молекулы азота резонансно передают свою энергию возбуждения молекулам СО₂, избирательно заселяя верхний лазерный уровень. Поэтому использование в СО₂ лазерах не чистого двууглекислого газа, а его смеси с азотом, обеспечило возможность достижения почти идеального избирательного возбуждения верхнего лазерного уровня молекулы СО₂.

Для образования инверсной населенности наряду с обеспечением избирательного заселения верхнего уровня следует обеспечить поддержание нижележащих колебательных уровней в незаселенном состоянии. Главный источник заселения нижних уровней – термическое их возбуждение в нагретом разрядом газе. Избежать такого процесса можно лишь одним путем – сохраняя температуру газа ниже температуры термического возбуждения. Конкретно, температура газа в разряде не должна пре­вышать (а еще лучше не приближаться к) 400 К.

Итак, теперь можно сформулировать требования к разряду, в котором смесь азота и СО₂ способна будет обеспечить возникновение инверсной населенности у молекул СО₂, что приведет к появлению лазерного эффекта: при температуре тяжелых частиц, не превышающей 400К, электронная температура должна составлять 2 - 2,5 эВ. Это разряд, создающий сильно неравновесную плазму с очень большим отрывом электронной температуры от температуры газа. В таком разряде необходимо обеспечить очень эффективный отвод тепла из зоны, где оно выделяется, то есть из области протекания тока. Частично помогает решать эту проблему добавление к рабочей смеси еще и гелия в значительных количествах. Теплопроводность гелия в 6 раз выше теплопроводности основных газов, а высокий потенциал ионизации (24,5 В) препятствует ионизации, что исключает его заметное влияние на электрические характеристики разряда.

Дата добавления: 2015-10-16