ПРОЦЕСИ НАКАЧУВАННЯ
У розділі 1 говорилося про те, що процес, за допомогою якого атоми переводять з рівня 1 на рівень 3 (у трирівневому лазері, рис. 1.4а) або з рівня 0 на рівень 3 (у чотирирівневому або квазічотирирівневому лазері, рис. 1.46) називають процесом накачування. Зазвичай накачування проводиться одним із двох наступних способів:
■ оптично, тобто безперервним або імпульсним світлом, що випромінюється потужною лампою або лазером;
■ електрично, тобто безперервним, радіочастотним (НВЧ) або імпульсним струмом, що протікає у провідному середовищі, такий як іонізований газ або напівпровідник. При оптичному накачуванні некогерентним джерелом
Випромінювання від потужної лампи поглинається активним середовищем, а атоми переходять на верхній лазерний рівень. Цей спосіб особливо підходить для твердотільних або рідинних лазерів (тобто лазерів на розчинах органічних барвників). Дійсно, тверді тіла і рідини характеризуються значним розширенням спектральних ліній, тому зазвичай доводиться мати справу швидше зі смугами, ніж з вузькими лініями накачування. Отже, ці смуги можуть поглинати велику частку енергії випромінювання лампи, яке зазвичай має широкий спектр. Доступність ефективних і потужних, безперервних або імпульсних лазерних джерел випромінювання на різних довжинах хвиль останнім часом забезпечила як привабливість, так і реальну здійсненність накачування лазерним випромінюванням, або лазерного накачування. У цьому випадку активне середовище поглинає спектрально вузьке випромінювання відповідного лазерного джерела. При цьому потрібно, щоб довжина хвилі лазерного випромінювання попадала в одну зі смуг поглинання середовища. Зазначимо, що монохроматичність лазерного випромінювання
Має на увазі, що використання лазерного накачування не повинно обмежуватися тількитвердотільних або рідинних лазерів; її можна застосовувати також і для газових лазерів, якщо забезпечити збіг лінії випромінювання лазера накачування з лінією поглинання середовища, що накачується. Така ситуація реалізується, наприклад, у більшості газових лазерів далекого ІЧ-діапазону (наприклад, на парах метилового спирту, СН3ОН), які зазвичай накачують відповідної коливально-обертальної лінією С02 лазера. З іншого боку, для накачування твердотільних або рідинних лазерів часто використовують лазери на іонах аргону (при безперервному збудженні), азотні або ексімерні лазери (при імпульсному збудженні), а також ЫсЬУАО лазери (безперервні або імпульсні), у тому числі з подвоєнням та подвоєнням випромінювання. Коли це можливо, в даний час широко застосовують напівпровідникові діодні лазери (накачування випромінюванням діодного лазера), для яких характерний високий ККД (так були продемонстровані повні ефективності перетворення електричної енергії в лазерне випромінювання, що перевищують 60%). Разом з тим, можна передбачити, що діодні лазери стануть найбільш поширеними джерелами оптичного накачування, замінивши собою навіть потужні лампи.
Електричне накачування зазвичай здійснюється за допомогою досить потужного електричного розряду і особливо підходить для газових та напівпровідникових лазерів. Зокрема, газові лазери зазвичай безпосередньо не підходять для лампового накачування, оскільки лінії поглинання газів, як правило, значно вже, ніж зазвичай широкий спектр випромінювання лампи, що накачує. Примітним винятком, про який варто згадати, є Се лазер з оптичним накачуванням, в якому пари Се накачуються Не лампою низького тиску. У цьому випадку ситуація вкрай сприятлива для оптичного накачування, оскільки сильна лінія випромінювання не на довжині хвилі-390 нм (яка є досить вузькою завдяки низькому тиску, що використовується) збігається, як виявляється, з лінією поглинання Се. Цей лазер, однак, більше не використовують, а інтерес до нього, як до найвідомішого газового лазера з ламповим накачуванням і як до першої запропонованої лазерної системи, носить в основному історичний характер. З іншого боку, електричне накачування газових лазерів може бути дуже ефективним процесом (наприклад, для накачування С02 лазера), оскільки ширина лінії поперечного перерізу збудження даного переходу електронним ударом зазвичай досить велика (від декількох до декількох десятків еВ, див. рис. 6.26 та 6.27) ). Ця обставина обумовлена тим, що збудження електронним ударом, а саме е + А -» А* + е, де А — частка, що збуджується, є нерезонансним процесом. Надмірна енергія понад ту, що необхідна для збудження частки А, залишається у вигляді кінетичної енергії розсіяного на частинці електрона. Навпаки, процес оптичного збудження фотоном, що налітає, з енергією /IV, а саме 1г + А -> А*, є резонансним процесом, оскільки енергія фотона повинна дорівнювати енергії збудження частки А. Як вже обговорювалося в главі 2, в цьому випадку за рахунок енергії, яка пов'язана, наприклад, з тепловим рухом частинок А (як при допплерівському розширенні) і може бути залучена до процесу збудження, проявляються деякі ефекти розширення ліній. Результуюча ширина лінії поглинання виявляється, проте, дуже малою (наприклад, * 10“5 еВ для доплерівського розширення атомів №); це є основною причиною того, чому оптичне накачування широкосмуговим джерелом неефективне для газового лазера. З іншого боку, оптичне накачування може дуже ефективно використовуватися для напівпровідникових лазерів, оскількинапівпровідникові середовища мають сильні та широкі смуги поглинання. І справді, була продемонстрована робота різних напівпровідникових лазерів з оптичним (і, зокрема, лазерним) накачуванням. Однак досвід показує, що електричне накачування є більш зручним, оскільки забезпечує протікання через лазерну напівпровідникову структуру, зазвичай у вигляді р-п або рч-п діода струму накачування досить великої щільності.
Два розглянуті процеси накачування, оптичне та електричне накачування, не є єдино можливими для накачування лазерів. Тип накачування, у певному сенсі схожої на оптичну, застосовується, коли середовище збуджується пучком випромінювання від рентгенівського джерела (накачування рентгенівським випромінюванням). Аналогічно процес накачування, у чомусь схожої на електричне, використовує збудження середовища пучком електронів з електронної гармати (накачування електронним пучком). Хоча як рентгенівська, так і електронно-пучкова накачування здатні доставляти високі потужності, що накачують, або енергії у великий обсяг активного середовища (зазвичай у вигляді газу), ці механізми накачування не дуже часто застосовуються через складність рентгенівської або електронно-пучкової апаратури. Зазначимо у зв'язку з цим, що, можливо, найменша до теперішнього часу довжина хвилі випромінювання від лазерного джерела (X = 1,4 нм, тобто в районі кордону між рентгенівським випромінюванням м'якого та жорсткого діапазонів) була отримана з використанням інтенсивних рентгенівських променів накачування , народжених ядерним вибухом малої потужності Подробиці про цей лазер досі засекречені, але потрібно усвідомлювати, що конфігурацію накачування такого типу не так просто повторити у звичайних лабораторних умовах!
Принципово інший та досить цікавий тип накачування реалізується, колинеобхідна інверсія виходить безпосередньо в результаті екзотермічної хімічної реакції (накачування за допомогою хімічної реакції, або хімічне накачування). Можна використовувати два типи реакцій, а саме:
■ реакції асоціації, тобто А + В - & gt; (АВ)*, які призводять до утворення молекул АВ у збудженому коливальному стані;
■ реакції дисоціації, у яких дисоціація індукується фотоном, т. е. АВ + /гу -> А + Б*, і результатом є утворення частки (атома або молекули) у збудженому стані.
Хімічна накачування зазвичай використовується для активних середовищ у газовій фазі. Як правило, вона вимагає газових сумішей з високою реакційною здатністю і найчастіше вибухових. З іншого боку, енергія, що виділяється в результаті екзотермічних реакцій, зазвичай дуже велика, і якщо достатню частку енергії, що отримується, вдається перетворити на випромінювання, то при лазерній генерації можуть забезпечуватися високі потужності (в безперервному режимі) або енергії (в імпульсному режимі). Ця особливість дала можливість отримати за допомогою хімічних лазерів найбільшу доступну до теперішнього часу потужність лазерного випромінювання в безперервному режимі (2,2 МВт для лазерної системи MIRACL, акронім англійської назви Mid-Infrared Advanced Chemical Laser — хімічний лазер нового покоління в середньому ІЧ-діапазоні ). Враховуючи труднощі роботи з такими системами та проблеми їх обслуговування, пов'язані з наявністю реакційноздатних та небезпечних матеріалів, використання хімічних лазерів було обмежено військовими застосуваннями як зброя з спрямованою енергією (англ. directed energy weapons).
В іншому принципово відмінному від перерахованих типі механізму накачування молекул газу застосовується надзвукове розширення газової суміші, що міститьпевні молекули (газодинамічна накачування). При цьому використовують суміш, що зазвичай містить молекули С02 як активні частинки (наприклад, суміш C02:N2:H20 із співвідношенням парціальних щільностей 6:76:1). У спеціальній камері суміш стискають до високого тиску (наприклад, «17 атм) і нагрівають до високої температури (наприклад, «1400 К) за рахунок спалювання певних палив (наприклад, бензолу, С6Н6, і окису азоту, N20, що автоматично забезпечують гарячий С02 з співвідношенням С02/Н20, рівним 2:1). Молекули С02 у цій суміші, звичайно, не мають інверсії населеностей, але завдяки високій температурі істотна частина молекул («25%) заселяє нижній лазерний рівень, тоді як менша, але все ж значна їх частина («10%) знаходиться на верхньому лазерному рівні . (Зазначимо, що С02 лазер насправді є лазером на коливально-обертальних переходах, так що нижній і верхній лазерні рівні основного електронного стану можуть бути значно збуджені тепловим чином, тобто шляхом нагрівання суміші до високої температури.) Потім стислу та нагріту газову суміш піддають адіабатичного розширення до дуже низького тиску (наприклад, «0,09 атм) через систему спеціальних сопел (див. опис хімічних лазерів у розділі 10). За рахунок розширення висока поступальна температура суміші падає до набагато нижчої величини (наприклад, «300 К). Отже, у процесі розширення населеності верхнього та нижнього станів будуть релаксувати до нижчих рівноважних значень, що відповідають цій меншій температурі. Однак у газовій суміші С02 лазера час життя верхнього стану помітно більший, ніж час життя нижнього. Це означає, що релаксація нижнього рівня в потоці газу, що розширюється відбувається на більш ранній стадії розширення. ТакимТаким чином, за соплом існує досить протяжна зона потоку, в якій населеність нижнього рівня вже зменшилася, тоді як населеність верхнього залишилася ще практично на тому ж початковому рівні, який існував у нагрівальній камері високого тиску. Отже, у цій зоні за рахунок процесу розширення створюється інверсія населення. Газодинамічна накачування використовується в основному для С02 лазерів та забезпечує високі безперервні потужності випромінювання («100 кВт). Складність пристрою таких систем є перешкодою для їх цивільних застосувань, тоді як відносно низька, в порівнянні з хімічними лазерами, потужність генерації робить їх менш кращими для використання у військових цілях.
У той час як розгляд питань взаємодії випромінювання з речовиною в розділах 2 і 3 мав на меті розрахунки швидкостей як вимушених, так і спонтанних переходів, основною метою даного розділу можна було б вважати визначення швидкості накачування одиниці об'єму яка
Є співвідношенням (1.3.1). Проте за накачуванні широкосмуговим джерелом світла, т. е. лампою, розрахунок 11р виявляється досить складним [1]. Те саме стосується і випадку накачування електронами в газовому розряді, коли потрібно знати функцію розподілу електронів по швидкостях [2]. Тому обмежимося тут описом різних схем накачування, яке супроводжуватиметься обговоренням фізичних механізмів, що лежать в основі процесів, що використовуються.