Иное дело, если на неком интервале энергий создать инверсную заселенность, при которой, на одном или нескольких возбуждённых уровнях, концентрация частиц больше, чем на ниже расположенных уровнях. В свое время в п. 4.4.3. мы видели, что если на функции распределения электронов, f(vx) появляется участок с df/dvx > 0, то в плазме начинают раскачиваться колебания. То же имеет место и при нарушении равновесного распределения по энергиям возбуждённых частиц. Впечатляющие возможности, которые здесь появляются, были продемонстрированы лазерами — генераторами когерентного излучения, впервые созданными Г.Н. Басовым и A.M. Прохоровым. Абсолютное подавляющее боль- шинство лазеров схематически может быть изображено рисунком 6.11.1. Здесь 1 — активная прозрачная среда, которая и является собственно генератором когерентного индуцированного излучения, 2,3 — оптический резонатор, обычно два параллельных зеркала, одно из которых — полупрозрачное для вывода генерируемого излучения C), а другое — "глухое" наконец, 4 — система "накачки" энергии в активную среду. Это может быть просто нагрев газообразной активной среды как в газодинамических лазерах, электрический разряд, поток электронов, мощное "стороннее" некогерентное излучение и т. п. 338 Гл. 6. Плазменные процессы с трансформацией частиц и излучением Рис. 6.11.1. Принципиальная схема ла- Рис. 6.11.2. Функциональная схема лазера: (Н) — зера 1 — активная среда, 2 — непро- накачка активной среды, (s\) — верхний энер- зрачное зеркало, 3 — полупрозрачное гетический уровень, {г^) — нижний уровень, зеркало, 4 — накачка, 5 — лазерный (СП) — спонтанный переход электрона с верх- луч него уровня на нижний, (СИ) — спонтанное из- лучение, (ИП) — индуцированный переход элек- тронов, (ЛИ) — лазерное когерентное излучение, (ОНУ) — очистка нижнего уровня Принципиально важным свойством активной среды является наличие двух уров- ней (рис. 6.11.2), из которых верхний (г\) имеет при отсутствии индуцирующего излучения сравнительно малую вероятность перехода на некий нижний уровень (г^), а тем более на другие нижние уровни. В то же время нижний уровень обладает большой вероятностью очищения и поэтому он всегда почти пустой. Лазеры могут работать как в импульсном, так и стационарном режиме. Вот схема работы в импульсном режиме. Включается "накачка". Начинает заполняться верхний уровень г\. Одиночные пе- реходы с верхнего уровня на нижний не создают достаточно интенсивного излучения в активной среде, чтобы стимулировать когерентные излучения. Поэтому на этой стадии излучение лазера носит спонтанный стохастический характер. Но дальнейшая накачка верхнего уровня в некий момент приводит к столь сильному спонтанному излучению, что выделяемая резонатором гармоника начинает индуцировать излуче- ния возбуждённых частиц (атомов, молекул), и далее процесс приобретает лавинный характер. В результате чего верхний уровень опустошается E) и запасенное в ре- зонаторе излучение постепенно выходит из него из-за полупрозрачности зеркала. Разумеется, самым быстрым процессом в описанной системе является сброс электро- нов с низшего уровня. Чтобы сделать это явным — имея в виду импульсный режим, можно написать следующее предельно упрощенное уравнение для концентрации частиц на верхнем уровне, после того как произошла накачка этого уровня: дп .. — = -па(\ 1 а = г(спон) F.11.1а) Уравнение переноса излучения — учитывая, что, благодаря наличию резонатора, ин- тенсивность излучения нарастает не в пространстве, а во времени, следует записать в виде -—. F.11.16) Последний член справа описывает уход излучения из резонатора. Вводим суборди- нацию времен то <тн <Стл «тш. 6.11. Системы, использующие выделенные уровни возбуждения частиц 339 Здесь го — время опустошения нижнего уровня, тц — время накачки, тл — время возбуждения активной среды, ти — время ухода излучения из резонатора. Рассмотрим теперь процессы опустошения верхнего уровня после завершения накачки. Поскольку в начальный момент величина 1Ш мала и носит некогерентный характер, то система F.11.1) принимает вид (по — концентрация возбуждённых частиц после накачки) дп д1ш — «(Зщ, F.11.2) /3riot. F.11.3) Когда величина /^7 становится больше единицы, все большую роль начинает играть индуцированное излучение, и теперь систему F.11.1) можно записать в виде ^ ^Ъщ1ш. F.11.4) и, соответственно ( Здесь а = а^\ Ъ = /3j. Система F.11.4) имеет очевидный интеграл ni+hIu = Ni; h=^, F.11.5) о где N\ — начальная концентрация возбуждённых атомов (молекул). Подставляя F.11.5) в F.11.4), получаем дщ (N\ -п\\ . /ЛТ ч ^ ащ ( l Ч =-bni(Ni-m). Отсюда следует ^^i = e-Nbt, F.11.6a) а Т°"еСТЬ 1 N ехрШШ n = N L = FЛ1-6б) Таким образом опустошение верхнего уровня идет практически по экспоненте и тем круче, чем больше первоначальная заселённость. После этого наступает последняя стадия — уход излучения из резонатора: т.е. 1Ш rsj exp | — t/грез} • Чтобы получить модель непрерывно работающего лазера, достаточно в уравнение F.11.1а) добавить в правую часть постоянный член Y = = const, описывающий непрерывную накачку верхнего уровня. В заключение отметим принципиальные схемы и активные среды трех распро- страненных классов лазеров. а. Гелий-неоновые лазеры. В этих хорошо известных газоразрядных лазерах используется двухступенчатая схема накачки активной среды-неона (рис. 6.11.3). Сначала идет накачка (заселение) метастабильного уровня гелия, на котором накап- ливаются электроны с энергией, близкой к энергии уровня 3s неона, подходящего для роли верхнего уровня лазерной генерации. Передача от указанного уровня Не к уровню 35 неона идет быстро. В то же время нижний уровень 2р неона, на который сваливаются электроны, легко очищается, и тем самым поддерживается непрерывная когерентная генерация излучения. 340 Гл. 6. Плазменные процессы с трансформацией частиц и излучением 160 150 140 130 Is Is2 'So i 6 2p Рис. 6.11.3. Схема уровней гелия и неона. Указа- ны 3 вида индуцированных переходов в лазере е-1035смш1 Гелий-неоновые лазеры — систе- He Ne мы малой мощности. Типичная мощ- ность на излучение не превосходит нескольких сот миливатт. б. СО^-лазеры. В этих лазерах ис- пользуется возбуждение колебатель- ных уровней молекул. Среди них осо- бый интерес представляют газодина- мические СО2~лазеры. По своей схеме такой лазер — это газодинамическое сопло, в сверхзву- ковой части которого помещается оп- тический резонатор. Основным активным компонентом в газодинамических лазерах является углекислый газ (СО2), который, так или иначе, нагревается в форкамере. В простейшем случае это может про- исходить просто за счёт сжигания уг- леродосодержащего топлива в возду- хе. При этом, благодаря высокой тем- пературе (до ~ 4000 К), возбуждают- ся колебательные уровни. При даль- нейшем течении газ быстро охлажда- ется. Возникает инверсная заселенность, и, проходя между зеркалами резонатора, газ генерирует инфракрасное когерентное излучение. Мощность газодинамических СО2~лазера может достигать десятки кВт при кпд, по отношению к топливу, до ~ ~ 2%. В настоящее время СО2-лазеры существуют с разными системами накачки, в том числе и с газоразрядной системой. Это стационарные лазеры с мощностью луча десятки кВт, длиной волны ~ Юмкм и кпд ~ 10% "от розетки". в. Эксимерные лазеры. Высокими характеристиками обладают лазеры, использу- ющие в качестве активной среды эксимеры 0. Наиболее популярны эксимеры Хе*С1 и Кг*Р(звездочками обозначены возбуждённые атомы). Такой лазер представляет собой газоразрядное устройство, в котором непрерывно синтезируются эксимеры (см. следующий пункт). Поскольку это принципиально возбуждённые молекулы, то это и есть возбуждённая активная среда. А при снятии возбуждения молекулы разваливаются, что автоматически обеспечивает эффективное опустошение нижнего уровня. Эти лазеры работают короткими импульсами (~ 30-50 не), но в периодическом режиме их средняя мощность может достигать кВт и кпд — нескольких процентов.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Газоразрядные и плазменные лазеры» з дисципліни «Введення в плазмодінаміку»
— "глухое" наконец, 4 — система "накачки" энергии в активную среду. 