3. Получение инверсной заселённости, состав активной среды, температурный режим, регенератор

В лазере на основе СО2 используется четырёхуровневая система получения инверсной населённости между колебательными уровнями молекул. Молекула СО2 состоит из атома углерода и двух симметрично расположенных атомов кислорода, т.е. имеет линейную структуру О-С-О. Как видно из схемы на рис. 7 атомы кислорода могут совершать симметричные (мода n1ОО) и несимметричные (асимметричные) (мода n3ОО), а также поперечные этому направлению так называемые деформационные колебания (мода n2LOO) - из-за наличия двух взаимно перпендикулярных направлений этот тип колебаний является дважды вырожденным. Употребляемые для описания состояния колебательно-возбуждённой молекулы квантовые числа n1, n2L и n3 характеризуют число квантов, соответствующих колебанию данного типа, L указывает поляризацию деформированного колебания. Лазерный квант излучается при переходе из состояния 001 в 100 (цифры обозначают колебательные квантовые числа в модах n1, n2L и n3 соответственно). Возможен также переход 001®020 с длиной волны l=9.4 мкм, но он обычно гораздо слабее. Для получения оптимальных условий в рабочую смесь СО2-лазера помимо углекислого газа добавляют азот и гелий.

Время жизни верхнего лазерного уровня СО2 относительно спонтанных переходов составляет ~0.2 с (А21»5.1 с-1). Поэтому более интенсивно верхние и нижние лазерные уровни расселяются (релаксируют) в результате безизлучательных переходов при столкновениях возбуждённой молекулы с невозбуждёнными компонентами лазерной среды по схеме на рис. 3. Однако высокая эффективность получения инверсной заселённости в газоразрядных СО2-лазерах обусловлена рядом причин. В электрическом разряде с высокой эффективностью образуются колебательно-возбуждённые молекулы N2, составляющие до 50% их общего числа. Поскольку молекула N2 состоит из двух одинаковых ядер, её дипольное излучение запрещено и она может дезактивироваться только при столкновении со стенкой или с другими молекулами. При наличии СО2 колебательная энергия N2 может быть легко передана молекулам СО2 поскольку существует близкий резонанс между колебаниями N2 и модой n3 колебаний СО2. Уровень 001 только на 18 см-1 лежит выше первого колебательного уровня азота и необходимый недостаток энергии молекулы СО2 могут получать от кинетической энергии азота. В результате энергия, затрачиваемая на возбуждение верхнего лазерного уровня и характеризуемая КПД разряда hк, для смесей СО2-N2-He может превышать 80%. При наличии азота в смеси время релаксации, запасённой верхним уровнем энергии tэ увеличивается и становится равным . При средней плотности выделяемой в положительном столбе разряда мощности <jE> заселённость верхнего лазерного уровня в отсутствии генерации будет . Создание инверсии требует малой населённости нижнего лазерного уровня. В условиях отсутствия генерации нижние уровни СО2 находятся в тепловом равновесии с основным, их относительная заселённость ~. Для поддержания стационарной генерации нижние уровни СО2 необходимо расселять. Этот процесс обеспечивается добавлением в лазерную смесь расселяющих компонент, из которых наиболее эффективен гелий. Также помимо эффективного расселения уровня 100 гелий обеспечивает хороший теплоотвод от рабочей среды за счёт теплопроводности и оказывает стабилизирующее действие на заряд, поэтому в подавляющем большинстве существующих технологических лазеров предпочтение отдаётся ему. Таким образом, эффективная работа СО2-ляазера требует трёхкомпонентной лазерной смеси. Определение состава рабочей среды лазера является сложной оптимизационной задачей, решение которой необходимо проводить в каждом конкретном случае. Для диффузионного СО2-лазера часто используется смесь СО2:N2:He в соотношении 1:1:3.