Инверсия заселенности

Рис. 5.5. Схемы создания инверсии заселенности в системах с оптической накачкой а — трехуровневая (рубиновый лазер) б — четырехуровневая (Nd-лазер) в — четырехуровневая (лазер на красителе).

Лазеры, вынужденное излучение и инверсия заселенности [c.141]

Классическим газовым лазером является гелий-неоновый лазер, работающий на смеси гелия и неона с соотношением от 7 1 до 5 1. В газовых (молекулярных) лазерах на СО2 смесь 02-N2-He возбуждается в режиме тлеющего разряда. Для создания инверсии заселенностей используется резонансная передача энергии от одного из компонентов - молекулярного азота - молекулам СО2 присутствующий в смеси гелий способствует ее охлаждению вследствие своей большой теплопроводности. Переходы между рабочими уровнями сопровождаются генерацией излучения на длине волны 10,6 мкм. На лазерах этого типа получены наибольшие уровни выходной мощности, а также наиболее высокие (10-30%) значения к.п.д. по сравнению с другими лазерами. [c.99]

Одним из перспективных типов лазеров являются химические лазеры, в которых инверсия заселенностей создается в ходе химической реакции. Первый эффективный химический лазер был создан в 1969 г. в Институте химической физики АН СССР В.Л.Тальрозе с сотрудниками при использовании реакции фторирования водорода. В подобных лазерах (на молекулах НР) достигаются мощности непрерывной генерации 1-10 кВт на длине волны 2,7 мкм, а на молекулах ВГ - на длине волны 3,6 мкм. [c.101]

Работа лазеров основана на получении вынужденного излучения от возбужденной системы, а не на спонтанном излучении, которое мы рассматривали до этого. Чистое вынужденное излучение наблюдается только в системах, где заселенность возбужденного состояния больше, чем основного состояния, — ситуация, называемая инверсией заселенности (см. разд. 2.3). Наша основная цель здесь — описать способы достижения инверсии, но сначала мы должны понять основные принципы действия лазера. [c.141]

Лазер на СО2 использует близкий к резонансу перенос колебательной энергии для получения инверсии заселенности излучающих уровней. В данном случае используется смесь СО2—N2—Не, и при электрическом разряде получается N2 р = = 1), Возбужденные молекулы азота находятся почти в резонансе с гз-колебаниями СО2, и происходит эффективный перенос энергии к СО2 (напомним номенклатуру молекулы [c.145]

Теперь мы вернемся к рассмотрению методов, благодаря которым достигается инверсия заселенности в некоторых типах лазеров, имеющих практическое значение. В этих механизмах важную роль играют процессы внутри- и межмолекулярного переноса энергии. Тепловое возбуждение не может, по определению, привести к инверсии в равновесной системе. Прямое поглощение света не может дать инверсию в простой двухуровневой системе, потому что падающее ( накачивающее ) излучение будет не только возбуждать нижнее состояние в верхнее, но и инициировать вынужденное излучение из верхнего состояния, вызывая уменьшение его заселенности. Однако для получения инверсии заселенности и, следовательно, лазерного действия может быть использована трехуровневая система. На рис. [c.142]

Четырехуровневая система (см. рис. 5.5, б) потенциально гораздо более эффективна, чем трехуровневая. К этому типу относятся лазеры на ионах неодима, внедренных в различные матрицы, такие, как стекла или иттрий-алюминиевый гранат (Ыа-УАО-лазер). Такие лазеры годятся для получения как высоких импульсных, так и непрерывных мощностей энергии. Отличительной особенностью схемы на рис. 5.5, б по сравнению с рис. 5.5, а является уровень А, на который попадает излучение от В. Так как вначале этот уровень не заселен, то нет необходимости большую часть частиц X возбуждать до С, чтобы концентрация частиц на уровне В, [В], стала больше, чем [А], и лазер начал работать. Для непрерывного действия необходимо, чтобы состояние А быстро опустошилось (в твердых лазерах при безызлучательных переходах) с целью получения инверсии заселенности по отношению к В. [c.143]

В газовых лазерах для получения инверсии заселенности обычно используется электрическое возбуждение. Молекулы и атомы при столкновениях с высокоэнергетическими электронами возбуждаются и ионизируются. При этом, ввиду того что правила оптического отбора здесь неприменимы, можно осуществить заселение запрещенных метастабильных состояний. Действие лазера становится возможным за счет переходов в нижние состояния. Два важных примера — это азотный лазер, который является импульсным, и аргоновый ионный лазер, работающий в основном в непрерывном режиме. Характерные процессы описываются реакциями (5.50) + (5.51) и (5.52) + + (5.53) [c.144]

Уже сейчас гелио-неоновые лазеры используют возбужденные атомы гелия с их высоко лежащими энергетическими уровнями электронов для возбуждения атомов неона, имеющих незаселенные возбужденные уровни на той же высоте, что и у гелия. Если концентрация атомов гелия значительно превыщает в смеси концентрацию неона, получается возможность инверсии заселенности в атомах неона, вместе с этим развивается и лазерный эффект. Вообще атомы или молекулы (например, N2), имеющие высоко лежащие уровни возбуждения, служат теперь источниками для конструкции лазеров (Ма- СОг) и как инициаторы различных химических процессов. [c.169]

При соответствующих условиях скорость образования колебательно-возбужденной молекулы (HF) достаточна для создания инверсий заселенности уровня энергии и генерации лазерного излучения (см. Лазеры химические). [c.227]

Хорошо известно, что быстрые экзотермические бимолекулярные реакции могут приводить к продуктам, первоначальное распределение энергии которых отличается от равновесного при температуре опыта Го. Не строгое, но полезное описание такого распределения сводится к использованию вращательной и колебательной температур Гд и Ту (в предположении больцмановского распределения с температурами Тц и Ту), имеющих значения ТвУ> То < Ту В первичных продуктах таких реакций может возникнуть полная инверсия заселенности по колебательным уровням. Это соответствует случаю, когда заселенность возбужденных колебательных уровней 9(0) превышает заселенность основного состояния, 9(и)>>0(О), и приводит к отрицательному значению Ту. Промежуточный случай — частичная инверсия — наблюдается также при Ту>0 поскольку вращательная релаксация происходит много быстрее, чем колебатель- [c.336]

Используя уравнения первого приближения для смеси газов [59], а также результаты работы 62], была проведена работа по сравнению расчетов колебательных температур и величины инверсии заселенностей колебательных уровней молекулы СО [c.129]

На рис. 6 и 7 представлены результаты расчетов температур и величин инверсий заселенностей [c.131]

С целью увеличения КПД и мощности ГДЛ особое внимание приходится обращать на газодинамические характеристики потоков. Помимо учета релаксационных явлений около обтекаемой поверхности и в пограничном слое, учета тепловых потерь, необходимо принимать во внимание явления взаимодействия пограничного слоя с основным потоком и возникновение в последнем скачков уплотнения и волн разрежения. Как было показано в работе [65], возникающие при этом в потоке ударные волны могут существенным образом изменить не только газодинамические характеристики, но и величину инверсии заселенностей молекул и коэффициент усиления. В работе [70] показано, что при течениях смеси газов с инверсной заселенностью молекул около клина или около затупленного цилиндра возможно значительное увеличение коэффициента усиления, а также создание потоков значительной плотности с сохранением инверсной заселенности. [c.133]

Егоров Б. В., Комаров В. И. Расчет инверсии заселенностей и величины коэффициента усиления при течении релаксирующей смеси газов в соплах.— Труды ЦАГИ, 1975, вып. 1656. [c.138]

Таким образом, для получения усиления ( y (v)> 0) излучения необходима инверсия заселенностей рабочих уровней 1 и 2, Ап>0 (пара уровней 1 и 2 не находится в состоянии термодинамического равновесия). [c.164]

Из (9) МОЖНО получить пороговые значения инверсии заселенностей рабочих уровней или интенсивности накачки (возбуждения частиц), которая создает инверсию. [c.166]

Правила отбора для вращательных переходов в данном колебательном состоянии, например, основном (рис. 5.2а), разрешают переходы только между соседними уровнями, так что оптическое возбуждение такого перехода может лишь выравнять заселенности уровней, но не приведет к инверсии заселенностей. Поэтому ДИК-лазеры работают в основном по схеме, представленной на рис. 5.26, когда накачка осуществляется на колебательно-вращательном переходе, а генерация — на вращательных переходах в верхнем и, возможно, нижнем колебательных состояниях. Инверсия заселенностей в возбужденном колебательном состоянии возникает за счет увеличения заселенности верхнего рабочего в лазерном переходе уровня, так что могут возникнуть каскадные переходы типа —1)—>-(/ —2)— 1 —3) —>... В нижнем (основном) колебательном состоянии инверсия создается за счет обеднения при накачке заселенности нижнего рабочего в лазерном переходе уровня при достаточной тепловой заселенности верхнего рабочего уровня. В этом случае могут возникнуть каскадные переходы (/"+ )—>,/", ... (рис. 5.26). Понятно, что в возбужденном колебательном состоянии, когда с начала возбуждения до времени заметного развития релаксационных процессов вращательные уровни практически пусты, инверсия заселенностей осуществляется легче, чем в основном состоянии, когда при комнатных температурах имеет место существенное заселение вращательных уровней. По-видимому, большинство наблюденных к настоящему времени лазерных ДИК-нереходов относится к вращательным переходам в возбужденных колебательных состояниях. Встречаются, однако, лазерные переходы и в основном колебательном состоянии. Здесь следует заметить, что пока более или менее однозначно интерпретирована лишь малая доля всех реализованных лазерных ДИК переходов. Это объясняется прежде всего совершенно недостаточным знанием вращательных спектров и молекулярных констант для возбужденных колебательных состояний. Поэтому среди этих переходов в рассматриваемом диапазоне спектра вполне могут быть и колебательно-вра-щательные лазерные переходы между различными типами колебаний. [c.170]

Здесь / обозначает долю анергии реакции, выделяющуюся на степенях свободы с квантовыми числами /, т, а X — эмпирический параметр, зависящий от температуры. Отметим, в частности, что, хотя статистическое распределение никогда не ведет к инверсии заселенностей, распределение типа (21.8) может датт. инверсию при соответствующем значении параметра Я,. [c.143]

Обычно различают три типа процессов поглощение, вынужденное излучение и спонтанное излучение. Предположим, что химическая частица имеет два квантовых состояния I и т с энергиями е и вт- Если частица первоначально находится в нижнем состоянии I, то она может взаимодействовать с электромагнитным излучением и поглощать энергию, переходя в состояние т. В обычных процессах поглощение происходит одноступенчато, так что разность между исходным и конечным уровнями точно равна энергии одного фотона излучения следовательно, поглощение излучения происходит лишь при условии 8т—Е1 = Н условие Бора ), Процесс поглощения состоит в потере интенсивности электромагнитного излучения и получении энергии поглощающей частицей. Обратный процесс, когда частица, находящаяся в верхнем состоянии, отдает энергию электромагнитному излучению, известен как вынужденное излучение слово вынужденное указывает, что существует взаимодействие между излучением и возбужденными частицами, вызывающее потерю энергии. Хотя мы не рассматриваем природу взаимодействия частицы и излучения, ясно, что скорость (интенсивность) поглощения или вынужденного излучения пропорциональна скорости столкновений фотонов с поглощающими или излучающими частицами, т. е. изменение интенсивности пропорционально плотности излучения р и концентрации химических частиц. Коэффициент пропорциональности определяет так называемые коэффициенты Эйнштейна В , й/т — коэффициент для процесса поглощения, Вт1 — для вынужденного излучения согласно принципу микроскопической обратимости, Вш = Вт1, и этот же результат можно получить при строгом следовании теории излучения. Скорости поглощения и вынужденного испускания равны В/тПгр и Вт1Птр = = В1тПтр) соответственно, где щ и Пт — концентрации частиц в низко- и высоколежащих состояниях. В случае теплового равновесия Пт всегда меньше, чем П1 [см. уравнение Больцмана (1.4)], и вклад поглощения оказывается более существенным, чем вынужденного испускания. Различие вкладов поглощения и вынужденного испускания определяется соотношением между величиной (вт—е ) и температурой Т. Уже упоминалось, что характерными для фотохимии являются уровни энергии ът--е.1) >кТ и Пт<.П1, поэтому вклад вынужденного испускания в фотохимические процессы в условиях теплового равновесия пренебрежимо мал. Однако в неравновесных ситуациях вынужденным испусканием уже нельзя пренебрегать, и если инверсия заселенности (/гт> () возрастает, то процессы испускания начинают преобладать над поглощением, и в [c.29]

Рассмотрение эксимеров и эксиплексов в разд. 5.4 указывает и другой путь получения инверсии заселенности. Поскольку время жизни основного состояния образующей комплекс пары не превышает одного периода колебания, его заселенность пренебрежимо. мала. Образование возбужденного комплекса неизбежно обеспечит большую заселенность, чем гипотетического основного состояния, и действие лазера становится возможным. Эксимерные лазеры работают по тому же принципу, хотя для некоторых напболее важных примеров, основанных на системах благородный газ — галоген, точнее подходило бы название экснплексные . Аргон, криптон и ксенон образуют эксиплексы с атомами Р и С1 (так же как Хе с Вг). Можно получить лазерное излучение в вакуумной УФ-области, с наиболее короткой длиной волны А=175 нм для АгС1. Первоначальное возбуждение происходит в форме электрического разряда, и последовательность реакций можно записать как [c.146]

ХемилюмиР1есцентные системы могут также вынужденно излучать, если удастся получить инверсию заселенности возбужденных состояний. Было продемонстрировано несколько химических лазеров, работа которых основана иа возбуждении за счет химической реакции. Например, поскольку при реакции между атомарным водородом и СЬ образуется колебательновозбужденный НС1, были созданы лазеры, использующие эту систему. Одной из причин повышенного интереса к химическим лазерам является громадное количество энергии (порядка нескольких килоджоулей на моль), высвобождающееся в быстрых химических реакциях. [c.146]

На рис. 6.2 изображено состояние системы после селективной инверсии заселенности. Оно отличается от равгювесною юлько тем, что заселенности по переходу Hj поменялись местами. Но посмотрите, что произошло с разиост.чми заселенностей. Их величины по протонным переходам пе изменились, пс считая гого, чю одна нз разностей поменяла знак. По углеродному же переходу С,, где разность раньше [c.191]

АС) или — 2АН ч- АС. Таким обрачом, мы перенесли протонные разности заселенностей на углеродные переходы и прибавили их к существующим разностям Если сразу после этого подействовать на углеродную намагниченность 7t/2-импульсом и зарегистрировать сигнал, то мы получим дублет с интенсивностями компонент -)-5 и -3 (относительно интенсивности сигналов при прямом наблюдении без селективной инверсии), поскольку ДН = 4АС. Так как один из переходов получает отрицательный вклад от протонов, а другой-положительный, то говорят, что суммарный перенос иамагниченности отсутствует, но наблюдается разностный перенос поляризапии. Заметим, наконец, чго полная инверсия заселенностей не обязательна, достагочно будет любого неравного их возмущения. Именно в такой ситуации возникает SPT-эффект, обсуждавшийся в разд. 5.3.3 гл. 5. На рис. 6.3 представлен результат эксперимента SP1. [c.192]

Сак видно, имеется инверсия заселенности ОН(1) и ОН(2). Значения Р(п), которые помечены звездочкой, получены экстраполяцией экспериментальных данных на основе теоретикоинформационного подхода. [c.162]

Следует также иметь в виду возможность самопроизвольного лазерного эффекта из верхних уровней, так как при интенсивпом возбуждении атомов урана может возникнуть инверсия заселенностей верхнего и какого-либо из расположенных ниже уровнен [6.36, 6.37]. [c.265]

Ввиду сильной зависимости величины инверсии заселенностей от разности температур верхнего и нижнего лазерных уровней значительная погрешность в определении Т и Гц влечет за собой большое отличие значений инверсии заселенностей, рассчитанных с использованием линейных кинетических уравнений, от значений, рассчитанных при использовании системы работы [59]. На рис. 5 приведены значения величины инверсии заселенностей, рассчитанные с использованием системы [59] (сплошная кривая) и по линейной кинетике (пунктирная) вдоль оси сопла для случая Ра = 10 атм, Та = 2000 К, Гю1п = 1 см, сОг = 0,1, Нг = 0,89, ан,о = 0,01. Как видно из рисунка, соответствующие значения величины инверсии заселенностей могут отличаться в два раза [63]. Необходимо отметить, что если использование линейной кинетики при аэродинамических расчетах не приводило к большим погрешностям в определении тепловых потоков и динамических нагрузок, то при течениях в ГДЛ эта модель является слишком приближенной. Особенно велико отличие даваемых ею результатов от точных расчетов при течении с большими градиентами температур и плотности. [c.131]

Из рис. 6 видно, что величины температур Т и Тц соответственно близки к Тх и Г4, но вместе с тем Тц значительно отличается от Гз- Таким образом, не выполняется одно из основных предположений линейной кинетики Т Т Тц. Это приводит к большому отличию инверсии заселенностей ANl/N o2 и Ысог, вычисленных при использовании точной (сплошная линия) и приближенной (пунктирная) кинетики. [c.132]

Андерсон, Мэддон. Инверсия заселенностей за прямыми скачками уплотнения,— Ракетная техника и космонавтика, 1971, т, 9, № 8, [c.137]

Егоров Б. В., Комаров В. Н. Исследование влияния процессов неравновесности в дозвуковой и сверхзвуковой частях сопла на величину инверсии заселенностей при течении газовой смеси СО,—N —Н.О.— ПМТФ, 1975, A-o 2. [c.138]

Способность молекул органических соединений генерировать излучение и эффективность генерации определяются более или менее благоприятным сочетанием целого ряда их физико-химических свойств, начиная от спектрально-люминесцентных и кончая, например, такими как давление насыщенных паров при заданной температуре. При использовании молекул с подходящим комплексом свойств необходимо также располагать источником накачки, обеспечивающим достаточное для развития и поддержания импульсной или стационарной генерации возбуждение молекул. Весьма важную роль играют безызлучательные внутри- и межмолеку-лярные релаксационные процессы, стремящиеся вернуть возбужденную молекулу в равновесное состояние. Эти процессы могут быть как полезными, так и вредными. В первом случае они способствуют созданию необходимой для генерации инверсии заселенностей пары рабочих уровней лазера, во втором — конкурируют с лазерным переходом. Их вероятность определяется прежде всего числом колебательных степеней свободы в молекулах, т. е. сложностью молекул. От степени сложности молекул, плотности молекулярных колебательно-вращательных состояний и скоростей релаксационных процессов зависит и возможность непрерывной перестройки частоты генерируемого излучения в широком спектральном диапазоне. Многие из молекулярных параметров, знание которых необходимо для выбора органического соединения в качестве потенциальной активной среды лазера, до сих пор неиз- [c.161]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология