6.5.2.4 Эксимерные лазеры
Эксимерный лазер — газовый лазер, активная среда которых представляет собой электронные переходы эксимерных молекул.
Эксимерные молекулы существуют только в электронно-возбужденном состоянии. Основному электронному состоянию таких молекул соответствует разлетный терм.
Зависимость потенциальной энергии взаимодействия Е атомов эксимерной молекулы от межядерного расстояния R. является монотонно спадающей функцией (Рисунок - 3.14).
Для возбужденного электронного состояния, которое является верхним уровнем лазерного перехода, имеется минимум. Этот минимум и определяет существование эксимерной молекулы. Время жизни возбужденной эксимерной молекулы определяется временем ее радиационного распада. Нижнее состояние лазерного перехода опустошается в процессе разлета атомов эксимерной молекулы.
Газ, содержащий эксимерные молекулы, является активной средой. Эксимерные молекулы, как правило, представляют собой короткоживущие соединения атомов инертных газов друг с другом, с галогенами и кислородом.
Конструкция эксимерных лазеров типична для газовых лазеров. Возбуждение активной среды производится электронными пучками, газовым разрядом, оптической накачкой или комбинацией этих способов.
Длина волны излучения лежит в видимой или ближней УФ-области спектра. В табл. 3.2 приведены некоторые параметры лазеров на наиболее распространенных эксимерных молекулах.
Рисунок - 6.19. Зависимость энергии Е зксимерной молекулы от межатомного расстояния R.
Особенностью эксимерных лазеров является высокое значение ширины линии усиления активного перехода. Это обстоятельство позволяет создавать мощные лазеры длин волн УФ-диапазона. Одновременно можно производить плавную перестройку длины волны в достаточно широком диапазоне. Особой мощностью обладают эксимерные лазеры на основе F2. Например, КrF-лазер имеет выходную энергию в импульсе до 100 кДж и длительностью импульса порядка 1 нс, что позволяет использовать его в экспериментах по термоядерному синтезу.
Таблица 3.2. Параметры эксимерных лазеров
Эксимерная молекула |
Длина волны в центре линии перехода, нм |
Ширина линии усиления, нм |
Аr |
126,1 |
8 |
Kr |
146,7 |
14 |
Хе2 |
172,0 |
20 |
АrР (В-Х) |
193,3 |
7 |
КrСl (В-Х) |
222,0 |
7 |
КrР (В-Х) |
248,4 |
15 |
XeBr(В-Х) |
281,8 |
1,0 |
ХеСl(В-Х) |
308,0 |
12 |
XeF (В-Х) |
351,1 |
25 |
ХеF (С-А) |
485 |
100 |
ХеО |
540 |
25,0 |
КrО |
558 |
1,5 |
АrО |
558 |
4,0 |
6.5.2.5 Газодинамические лазеры
Газодинамический лазер— газовый лазер, в котором инверсия населенностей создается в системе колебательных уровней энергии молекул газа с помощью адиабатического охлаждения нагретых газовых масс, движущихся со сверхзвуковой скоростью. Другими словами, в качестве активной среды используется быстро охлаждаемая смесь газов, инверсная населенность уровней в которой достигается при следующих условиях:
□ скорость опустошения нижнего уровня лазерного перехода выше скорости опустошения внешнего уровня;
□ время опустошения верхнего уровня больше времени движения газа в резонаторе. Эти условия обеспечивают так называемую инверсию населенностей верхних уровней. На Рисунок - 3.15 приведена схема газодинамического лазера.
В камере сгорания сжигается углеводородное топливо с воздухом в качестве окислителя. Нагретая газовая смесь аэродинамическими средствами разгоняется до сверхзвуковой скорости (~ 1,8 км/с) и резко расширяется. Молекулы газа СO2, Аr, Ne опустошают свой инверсный уровень, что создает условия для генерации излучения. Оптический резонатор,
зеркала которого параллельны потоку, имеет значительные размеры и способен усиливать колебания на длинах волн λ1= 18,4 мкм, λ2 = 16,7 мкм, λ3 = 16,2 мкм. На СО-лазере получено излучение на длине λ= 5 мкм.
В непрерывном режиме газодинамические лазеры позволяют получать излучение мощностью ~102 кВт при КПД ~1%.
