|
3.2 Эффективность газовых лазеров
3.2 Učinnost plynových laserů
Диапазон частот, в которых работают газовые лазеры, очень широк – от субмиллиметровых волн до вакуумного ультрафиолета.
Frekvenční rozsah plynových laserů je velký – od submilimetrových vln po ultrafialové záření získávané ve vakuu.
Многие известные газовые лазеры на электронных переходах видимого диапазона имеют крайне малый КПД. Прчина заключается в неселективном характере возбуждения и очень малой величине квантового КПД. Дело в том, что в интервале энергий, где электрон связан с атомом, энергетические уровни распределены очень неравномерно. Как правило, энергия первого возбужденного состояния составляет около половины от энергии ионизации, а во второй половине расположено очень большое число уровней, сгущающихся к ионизационному пределу.
Mnoho významných plynových laserů založených na principu přechodu elektronů ve viditelném rozsahu mají velmi nízkou η. Důvod spočívá v neselektivní povaze buzení a velmi malé hodnotě kvantové η. Podstata spočívá v tom, že v intervalu vyzařovaných energií, kdy je elektron spojen s atomem, dochází k uspořádání energetických hladin velmi nerovnoměrně. Zpravidla je energie prvního vybuzeného stavu tvořena přibližně z poloviny ionizační energií a druhá polovina energie se nachází ve velkém počtu hladin hromadících se a blížících k prahu ionizace.
Так как лазерными бывают чаще всего какие-либо высоковозбужденные состояния, то оказывается, что разность их энергий много меньше самой энергии, т. е. квантовый КПД таких систем мал ΔЕ << Е. Кроме того, для возбуждения нужного уровня из имеющегося обычно широкого энергетического спектра электронов (в газовом разряде), фотонов (при некогерентном оптическом возбуждении) или каких-либо других частиц, может быть использован только узкий участок спектра. Энергия же остальных частиц уходит на возбуждение уровней, не участвующих в создании инверсной населенности. Таким образом, эффективность использования энергии для накачки нужного уровня также оказывается весьма низкой. Эти же особенности электронного спектра характерны и для молекул.
Jelikož plynové lasery ve většině případů fungují na principu vysoce vybuzených stavů, ukazuje se, že rozdíl v jejich energiích je mnohem menší než samotná energie, to je kvantová η, a rozdíl těchto dvou jednotek je malý ΔЕ << Е. Kromě toho za účelem vybuzení o požadované hladině z obvykle dostupného širokého energetického spektra elektronů (v plynovém výboji), fotonů (při nekoherentním optickém buzení) nebo jiných dalších částic, může být použita pouze úzká část spektra. Energie zbylých částic se vyčerpá na vybuzení hladin, které se nepodílí na vytvoření inverze populace. To znamená, že účinnost využité energie za účelem buzení požadované hladiny je také poměrně nízká. Tyto zvláštnosti elektronového spektra jsou charakteristické také pro molekuly.
Иначе обстоит дело с колебательными энергетическими уровнями молекул. Из-за большой массы ядер расстояния между нижними колебательными уровнями молекул значительно меньше, чем энергия первого возбужденного электронного уровня, и в то же время она велика по сравнению с тепловой энергией молекул при комнатной температуре. Благодаря этому, например, в электрическом разряде можно подобрать такие условия, что будет происходить интенсивное возбуждение колебательных уровней молекул, в то время как электронные уровни останутся практически невозбужденными и, так как kT << hω, то колебательная энергия может сохраняться достаточно долго, не переходя в энергию теплового движения. Нижние уровни энергии колебаний двухатомных молекул почти эквидистантны. У многоатомных молекул существует некоторое число видов колебаний, определяемых структурой молекулы. Нижние уровни каждого типа колебаний также эквидистантны. Eсли мы теперь будем возбуждать какой-либо колебательный уровень молекулы, то из-за эквидистантности уровней данного типа колебаний (или данной моды) происходит быстрый обмен энергией между молекулами с различным числом квантов этого типа. Таким образом, спустя короткое время из-за обмена энергией при столкновениях окажутся возбужденными и другие уровни, что препятствует достижению инверсной заселенности уровней одного типа колебаний молекулы.
Jiná situace nastává s kmitavými energetickými hladinami molekul. Kvůli velké hmotnosti jader je vzdálenost mezi spodními kmitavými hladinami molekul výrazně menší, než energie první vybuzené elektronové hladiny, zároveň je však tato energie ve srovnání s tepelnou energií molekul při pokojové teplotě velká. Díky tomu je možné například zvolit při elektrickém výboji takové podmínky, při kterých bude probíhat intensivní vybuzení kmitajících hladin molekul, zatímco elektronové hladiny zůstanou prakticky nevybuzené a kT << hω , tak vibrační energie může zůstat zachována dostatečně dlouho na to, aby se nezměnila v energii tepelného pohybu. Spodní kmitavé energetické hladiny dvouatomových molekul jsou téměř ekvidistantní. U víceatomových molekul existuje několik způsobů kmitání, které určuje struktura molekuly. Spodní hladiny každého typu kmitání jsou taktéž ekvidistantní. Pokud se nyní pokusíme vybudit jakoukoliv kmitavou hladinu molekuly, tak dojde z důvodu zachování konstantní vzdálenosti hladin o daném typu kmitání (nebo daném módu) k rychlé výměně energie mezi molekulami tohoto typu s rozdílným kvantovým číslem. Tímto způsobem se po uplynutí krátké doby (z důvodu výměny energie během srážek molekul) stanou vybuzenými také další hladiny, které brání dosažení inverzní populace hladin molekulám jednoho typu kmitání.
Однако можно подобрать, например, двухатомную и многоатомную молекулы так, чтобы колебательный квант двухатомной молекулы совпадал с колебательным квантом одного из типов колебаний многоатомной молекулы. Тогда, благодаря резонансному характеру обмена энергией, будет происходить возбуждение только одного типа (который находится в резонансе) колебаний многоатомной молекулы. Эффективность создания инверсии между уровнями энергии колебаний разного типа может быть очень высокой.
Dvouatomové a víceatomové molekuly si je možné vybrat například takovým způsobem, že vibrační kvantum dvouatomové molekuly se bude shodovat s vibračním kvantem jednoho typu kmitání víceatomových molekul. Poté bude díky rezonančnímu charakteru výměny energie docházet k vybuzení pouze jednoho typu (o shodné rezonanci) kmitání víceatomových molekul. Účinnost vytvoření inverze mezi energetickými hladinami o různém typu kmitání může být vysoká.
С другой стороны, так как различие между квантами разных типов колебаний сопоставимо с величиной самих квантов, то квантовый КПД молекулярных газов может достигать 50 %.
Na druhou stranu rozdíl mezi kvanty s různými typy kmitání je srovnatelný s velikostí samotných kvant, což znamená, že kvantová η molekulárních plynů může dosáhnout až 50 %.
Do'stlaringiz bilan baham: |
