3.4.2. Молекулярные лазеры

Молекулярный лазер представляют собой квантовый лазер, в качестве активного вещества которых используются молекулы. В отличие от атомов, молекулы газов имеют кроме электронных энергетических уровней также колебательные и вращательные уровни.

В зависимости от типа участвующих в генерации переходов молекулярные лазеры разделяются на три класса:

1. Лазеры на колебательно-вращательных переходах, используются переходы между колебательными уровнями одного и того же электронного состояния. Поскольку расстояние между колебательными уровнями 0,1…0,01 эВ, то эти лазеры работают в среднем ИК- диапазоне (5…100 мкм).

2. Лазеры на электронно-колебательных переходах, используются переходы между колебательными уровнями различных электронных состояний. Работают в видимой и ближней УФ- области спектра.

3. Лазеры на чисто вращательных переходах, используются переходы между вращательными уровнями одного и того же электронно-колебательного состояния. Работают в дальнем ИК-области спектра (25…1000 мкм).

Газоразрядные - лазеры являются наиболее важными газовыми лазерами, разработке и совершению которых уделяется исключительное внимание во всех технически развитых странах. Это определяется тем, что-лазеры:

• обладают очень высоким КПД;

• способны генерировать исключительно большие мощности, как в непрерывном, так и в импульсном режиме;

• спектр их излучения совпадает с окном прозрачности атмосферы.

Молекулярный - лазер - это лазер на смеси углекислого газа, азота и гелия. Углекислый газ является рабочим газом, азот способствует эффективному заселению верхнего лазерного уровня, гелий - обеднению нижнего уровня. Молекулы имеют три частоты собственных возбуждаемых колебаний, которым соответствуют уровниЕ₃, Е₄ и Е₅ (рис. 3.5). Их заселение происходит вследствие нескольких одновременно протекающих процессов.

Молекулывозбуждаются при соударении с быстрыми электронами в газовом разряде. Очень эффективен процесс возбуждения молекулы, а также процесс резонансной передачи энергии от молекулык молекуле. Генерация возникает на большом числе переходов молекулыв интенсивности длин волн от 9 до 18 мкм.

Рис. 3.5. Упрощенная схема энергетических уровней - лазера.

Хотя схемы работы - лазера илазера похожи, эффективность первого на три порядка выше эффективности второго.

3.4.3. Эксимерные лазеры

Эксимерные лазеры представляют особый класс молекулярных лазеров на электронно-колебательных переходах между устойчивым возбужденным и химически неустойчивым основным состояниями некоторых молекул.

Для пояснения принципа рабо­ты эксимерного лазера рассмотрим двухатомную молекулу А₂, кривые потенциальной энергии которой для основного Е₀ и одно­го из возбужденных Е₁ состояний приведены на рис. 3.6. Такая форма кривых означает, что молекула может существовать толь­ко в возбужденном состоянии, а в основном состоянии она химически неустойчива: при любых R атомы отталкиваются.

Такая молекула А₂, которая может существовать только в воз­бужденном состоянии, называется эксимером. Оказалось, что свойствами эксимеров обладают некоторые соединения благородных газов: , , , ХеС1*, KrF*, АгF* и др.

Если в рабочем объеме создать большую концент­рацию эксимерных молекул, то генерация может быть получена на переходах между верхним связанным Е₁ и нижним неустой­чивым Е₀ состояниями. Такой лазер называется эксимерным. Рабочие переходы Е₁→Е₀ в эксимерном лазере обладают двумя важными особенностями: 1) при переходе в основное состояние молекула очень быстро (за время порядка 10^-14 с) диссоциирует, т. е. нижний лазерный уровень опустошается исключительно быстро; 2) переходЕ₁→Е₀ сопровождается излучением в срав­нительно широком спектральном диапазоне (рис. 3.6), посколь­ку в нижнем состоянии отсутствует дискретная вращательно-колебательная структура уровней энергии. Это позволяет пе­рестраивать спектр излучения лазера в пределах данного широко­полосного перехода.

Рис. 3.6. Принцип работы эксимерного лазера.

По своему устройству эксимерный лазер пока что представля­ет собой сложное сооружение. Его накачка осуществляется пуч­ком электронов, ускоренных до энергий 0,1... 1 МэВ при плотностях тока 1...10 кА. Поскольку время жизни в возбужденном состоянии эксимеров мало /1...10 нc/, то такие лазеры работают, как правило, в импульсном режиме. Они способны генерировать ко­роткие световые импульсы очень боль­шой энергии (до 10⁵ Дж) при высоком КПД (до 10%). Основное достоинство эксимерных лазеров - возможность по­лучения больших мощностей излучения в ультрафиолетовой области от 0,125 до 0,35 мкм при высоком КПД и возможность плавной перестройки спектра эксимерного лазера в диапазоне до ∆λ = 0,005 мкм. Это весьма важно для таких применений, как инициирование фотохимических реакций, разделение изотопов, стимулирование биохимических процессов и др.

Из-за большой ширины линии перехода эксимерные лазеры могут работать как перестраиваемые в достаточно широкой области спектра. Можно надеяться, что на основе эксимерных лазеров будет создан класс перестраиваемых лазеров, длина волны которых плавно перекроет всю область длин волн, начиная от границ видимого спектра (~400 нм) до 200 нм.

Приведенные выше параметры эксимерных лазеров ставят их вне конкуренции среди лазеров видимого и ультрафиолетового диапазона с точки зрения перспектив их применения в нелинейной оптике, фотохимии, фотолитографии, технологии, в качестве источника накачки перестраиваемых жидкостных лазеров и др.