Dependence of radiation production and population densities on the thermal relaxation processes in a high power molecular laser

Philips Research Laboratories, N. V. Philips’ Gloeilampenfabrieken, Eindhoven-Netherlands.

Abstract

It is our purpose to describe the dépendance of radiation production on the relaxation processes of the lower laser level, the excitation mechanisms of the upper laser level, and the purity of the used gas components. The used laser construction incorporates special features. The discharge tube is closed at one end by an optically flat germanium plate arranged at the BREWSTER angle with respect to the axis of the tube. Further, a second germanium plate is placed in the cavity for coupling-out purposes. The angle of incidence for this plate differs from the BREWSTER angle so that depending on the magnitude of this difference, a part of the incident radiation is reflected and leaves the cavity. This variable coupling-out makes it possible to measure interesting data concerning the inversions. It will be shown that water vapour added to a gas mixture of CO₂ and N₂, plays a prominent part in depopulating the lower laser level by thermal relaxation. From the studied relaxation processes of the lower laser level we calculated the vibrational temperature of the symmetrical valence vibration. Knowing this quantity, we easily determine the population density of the lower laser level. Then using the calculated population difference between upper and lower level we find the population density of upper laser level. We have observed that small amounts of impurities like Ar, H₂, Kr and Xe with partial pressures sometimes less than 10^–2 torr may cause considerable decrease of radiation output. Some impurities can be released from the glass wall of the discharge tube and we observed that this can be avoided by using fused silica (quartz). Finally it is reported that using a sealed-off laser construction of 240 cm length and 2,3 cm diameter filled with CO₂, N₂, H₂O and He a continuous radiation output of 103 watts is reached with a efficienty of about 121/2 % and a lifetime of more than 1 000 hours.

Résumé

Notre but est de décrire la relation qui existe entre la production de radiations d’une part, et les processus de la relaxation du niveau laser inférieur, les mécanismes d’excitation du niveau laser supérieur et la pureté des composants gazeux utilisés d’autre part. Le dispositif laser utilisé comportait des caractéristiques spéciales. Le tube à décharge est fermé à l’une de ses extrémités par une plaque de germanium optiquement plane inclinée à incidence Brewstérienne par rapport à l’axe du tube. En outre, une seconde plaque de germanium est placée dans la cavité pour permettre les couplages extérieurs. Pour cette plaque, l’angle d’incidence est différent de l’angle de BREWSTER si bien que, selon la valeur atteinte par cette différence, une partie de la radiation incidente est réfléchie et quitte la cavité. Ce couplage variable permet de faire des mesures intéressantes en ce qui concerne les inversions. On montrera que de la vapeur d’eau ajoutée à un mélange gazeux de CO₂ et N₂ joue un rôle prédominant pour la dépopulation du niveau laser inférieur par relaxation thermique. D’après l’étude des processus de relaxation du niveau laser inférieur, nous avons calculé la température vibrationnelle de la vibration de valence symétrique. Connaissant cette valeur, nous déterminons facilement la densité de population du niveau laser inférieur. En utilisant alors la différence de population calculée entre les niveaux supérieur et inférieur, nous trouvons la densité de population du niveau laser supérieur. Nous avons observé que de petites quantités d’impuretés telles que Ar, H₂, Kr et Xe à des pressions partielles parfois inférieures à 10^–2 Torr peuvent entraîner une diminution considérable de l’émission de radiation. Certaines impuretés peuvent provenir de la paroi de verre du tube de décharge; nous avons constaté qu'on pouvait éviter que cela ne se produise en utilisant des tubes en silice fondue (quartz). Enfin, il est signalé qu’en utilisant un dispositif de laser étanche de 240 cm de long et 2,3 cm de diamètre, rempli de CO₂, N₂, H₂O et He, on obtient une émission continue de 103 watts avec un rendement d’environ 12 1/2 % et une durée de vie de plus que mille heures.