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氧元素和碳元素有众多的同位素,所以,CO2有众多的同位素气体,如12C16O2,13C16O2,12C18O2等,对应的输出谱线范围如图 1[14]所示。
Figure 1. Spectral line range of CO2 isotope gas[14]
从图 1中可以发现,CO2存在两种跃迁,0001→1000(Ⅰ波段)和0001→0200(Ⅱ波段),9.3μm(1075cm-1)波长出现在0001→0200波段。3种同位素气体可以产生9.3μm波段跃迁:12C16O2,12C16O18O,12C18O2。在谱线竞争中,小信号增益系数大的谱线在振荡竞争中获胜,产生激光振荡,饱和光强大的产生的激光输出功率高。美国科学家测量了5种同位素气体P(20)跃迁谱线的小信号增益系数和饱和光强,并计算了两个波段的增益系数比[15-16],见表 1。
band parameter 12C16O2 12C18O2 13C16O2 13C18O2 14C16O2 Ⅰ α0/10-2cm-1 1.07 0.3 0.64 0.42 0.55 Is/(W·cm-2) 47 30 38 39 56 Ⅱ α0/10-2cm-1 0.9 0.73 0.26 0.42 0.099 Is/(W·cm-2) 25 39 9 32 -3 measured α0, Ⅰ/α0, Ⅱ 1.2 0.4 2.5 1.0 5.6 calculated KⅠ/KⅡ 1.4 0.5 3.2 1.0 7.1 Table 1. Small signal gain and saturation intensity of P(20) transition line about five kinds of carbon dioxide isotope gases
表 1中,α0为小信号增益系数,K为通过理论计算得到的增益系数,Is为饱和光强。12C16O2的Ⅰ波段的P(20)跃迁谱线为10.6μm,小信号增益系数是Ⅱ波段P(20)跃迁谱线9.55μm的1.2倍,所以,10.6μm谱线比9.55μm谱线更容易产生激光振荡。12C16O2的常规激光输出波长为10.6μm谱线。12C18O2的Ⅱ波段的P(20)谱线小信号增益系数为Ⅰ波段P(20)谱线的2.5倍,所以,12C18O2的Ⅱ波段的P(20)支优先振荡。1982年, FREED等人[15]测量了表 1中5种同位素气体波段Ⅰ和波段Ⅱ中P(J)和R(J)(转动能级的转动量子数J=12, 16, 20, 24, 28)的小信号增益系数α0和饱和光强Is,并计算了α0Is。FREED的测量结果显示,同一波段中,P支谱线大于R支谱线的增益系数,且P支谱线中P(20)支的α0Is最大。激光器的输出功率公式如下[14]:
式中,P0为激光器的输出功率,A为增益介质的横截面积,T为激光器输出镜的透过率,α0为激光器的小信号增益系数,l为增益介质的长度,Li为腔内损耗。由(1)式可知,P(20)支谱线输出激光功率最大。
band transition α0/10-2cm-1 Is/(W·cm-2) α0 Is/(W·cm-3) Ⅰ P(28) 0.27 22 0.060 P(24) 0.30 24 0.071 P(20) 0.30 30 0.091 P(16) 0.28 24 0.069 P(14) 0.24 22 0.052 R(12) 0.24 23 0.054 R(16) 0.26 27 0.071 R(20) 0.27 29 0.079 R(24) 0.26 22 0.059 R(28) 0.23 20 0.047 Ⅱ P(28) 0.66 30 0.20 P(24) 0.71 34 0.24 P(20) 0.73 39 0.28 P(16) 0.67 36 0.24 P(14) 0.60 25 0.15 R(12) 0.60 28 0.17 R(16) 0.64 30 0.19 R(20) 0.64 33 0.21 R(24) 0.62 31 0.19 R(28) 0.50 28 0.14 Table 2. Small signal gain and saturation intensity of 12C18O2
表 2中的数据表明,12C18O2的1000→0200波段优先振荡。对应波段的P(14)~P(28)谱线的输出波长范围为9.31μm ~9.41μm。