Газовые лазеры: лазеры на электронных переходах

2.0
Е, эВ
r, А
Схема уровней молекулы азота
4
8
12
1

r, А

Е, эВ

Схема уровней молекулы водорода

Х

Х

В

В

С

С

являются
вертикальные переходы (без изменения межъядерного расстояния),
происходящие в точках

В молекуле азота наиболее вероятными являются переходы с нулевого
колебательного уровня основного Х-состояния на 0-й и 1-й колебательные
уровни С-состояния. Вероятность переходов из Х-состояния в В-состояние
практически равна нулю

Инверсная населенность возникает между возбужденными уровнями
С-состояния и уровнями В-состояния

Длины волн генерации азотного лазера:
337.1 нм - переход с 0-го уровня С-состояния на 0-й уровень В-состояния
357.7 нм - переход с 0-го уровня С-состояния на 1-й уровень В-состояния
315.9 нм - переход с 1-го уровня С-состояния на 0-й уровень В-состояния

В каждом колебательном переходе имеется несколько вращательных
компонент

количество переходов из
С-состояния в В-состояние. Поэтому диапазон длин волн

Азотный и водородный лазер являются лазерами на самоограниченных
переходах и могут работать только в импульсных режимах

Время существования инверсии составляет не более нескольких нс

За эти времена излучение просто не успевает совершить двойной проход
через резонатор. Поэтому эти лазеры являются суперлюминесцентными

Возбуждение верхних лазерных уровней осуществляется в поперечном
электрическом разряде в процессах прямого столкновения молекул азота
и водорода с электронами

Плотность мощности накачки составляет несколько кВт/см3 при давлении
газа в несколько десятков Торр. В случае азотного лазера выходная
мощность может достигать единиц МВт, в случае водородного – единиц кВт,
частота следования импульсов может достигать сотен кГц

- высокая величина
коэффициента усиления
Азотный лазер может работать вообще

Для снижения пороговых величин накачки, а также для получения
направленного излучения и уменьшения его расходимости одно зеркало
все же устанавливается

Азотный лазер может работать на атмосферном воздухе

Одна из основных проблем в этом случае связана с большой
вероятностью возникновения дугового разряда

Эта проблема решается за счет уменьшения длительности
накачки до времен порядка одной наносекунды

молекула, которая может
существовать только в возбужденном электронном состоянии


4
8
12
Е,

2 4

r, А

кривые потенциальной энергии эксимера ксенона

Два состояния

состояния в отталкивательное
молекула сразу же
разваливается на два атома

Населенность нижнего лазерного
уровня всегда равна нулю

Наличие колебательно-вращательной
структуры верхнего состояния и
отсутствие таковой структуры у
нижнего состояния приводит к тому,
что при переходе стандартное понятие
колебательно-вращательной
структуры отсутствует

Переходы осуществляются в
широких спектральных диапазонах

Имеются эксимеры, у которых потенциальная кривая нижнего состояния
не является чисто отталкивательной, а имеет неглубокий минимум

Попав в нижнее состояние, молекула эксимера быстро диссоциирует либо
спонтанно, либо при столкновении с частицей или стенкой

(нижний
уровень) электронными состояниями имеется инверсная населенность,
населенность нижнего уровня

К первой группе эксимерных лазеров относятся лазеры, полученные на
эксимерах инертных газов (Xe2, Ar2, Kr2).

Ко второй группе относятся лазеры на эксимерах, образованных при
соединении атома инертного газа с галогеном (ArF, XeF, XeCl, KrCl, KrF)

Xe2-лазер

Процесс образования эксимера ксенона происходит в электрическом разряде
в результате нескольких столкновительных процессов:

обусловлена
тем, что в возбужденном состоянии их свойства становятся похожими

Они легко вступают в связь типа ионной

При переходе в отталкивательное состояние отсутствует какая-либо
колебательно-вращательная структура

Времена жизни двух связанных возбужденных состояний равны 5 нс и 40 нс

Наличие тройных столкновений приводит к тому, что давление ксенона
должно быть достаточно большим – в Xe-лазере оно составляет
порядка 10 атмосфер

колебательно-вращательная структура. Поэтому генерация происходит в
широком диапазоне – примерно

Длительность накачки составляет не более 1 нс, выходная мощность
излучения достигает сотен МВт

KrF-лазер

или

эффективность этой реакции существенно увеличивается
в столкновениях с гелием:

Поэтому в KrF-лазере в смесь добавляется атомарный гелий

В KrF-лазере газовая смесь состоит из атомов криптона и молекулярного
фтора

Отличаются только длины волн генерации:
Привлекательность эксимерных лазеров обусловлена как