Recent developments in CO₂ and other molecular lasers

Bell Telephone Laboratories, Incorporated Murray Hill, New Jersey, France.

Abstract

In this paper we will review the recent developments in the area of high power molecular lasers operating in the infrared. The laser action occurs on a number of rotational transitions of various vibrational bands of CO₂, N₂O, etc. Even though a number of rotational transitions may have enough gain for oscillation, only a very few oscillate because of the strong competition effects arising from the very long lifetime (e.g. ~ 4 x 10^–3 sec for the 00°1 level of CO₂) and the extremely short thermalization time (~ 10^–6 — 10^–7 sec) for reaching BOLTZMANN equilibrium among rotational level population densities. Thus, in practice most of the power from a high power CO₂ laser occurs in one or two rotational transitions. The roles played by other constituents in a high power CO₂ laser are discussed. Experimental and theoretical details of effect of temperature on power output are also given. Because of the long lifetimes of the levels involved, it is also possible to repetitively Q-switch the CO₂ and other molecular lasers in order to obtain high peak power pulses. The applications of such high power CW and Q-switched lasers are many and we will briefly enumerate these.

Résumé

Dans cette communication, nous allons passer en revue les récents progrès réalisés dans le domaine des lasers moléculaires de grande puissance fonctionnant dans l’infrarouge. L’effet laser se produit sur un certain nombre de transitions rotationnelles de diverses bandes vibrationnelles de CO₂, N₂O, etc. Bien que certaines transitions rotationnelles puissent avoir assez de gain pour l’oscillation, seules un très petit nombre d’entre elles oscillent en raison des puissants effets de concurrence dus à la très longue durée de vie (par exemple ~ 4.10^–3 sec. pour le niveau 00 °1 de CO₂) et au temps de thermalisation extrêmement court (~ 10^–6 — 10^–7 sec.) pour atteindre l’équilibre de Boltzmann pour les densités de population des divers niveaux rotationnels. Ainsi donc, en pratique, la plus grande partie de la puissance d'un laser à CO₂ de grande puissance est due à une ou deux transitions rotationnelles. Les rôles joués par d’autres constituants dans un laser à CO₂ de grande puissance sont discutés. Des précisions expérimentales et théoriques sont également données en ce qui concerne l’effet de la température sur la puissance. Étant donné les longues durées de vie des niveaux intéressés, il est également possible de déclencher à plusieurs reprises le laser à CO₂ et d’autres lasers moléculaires de façon à obtenir des impulsions de grande puissance de crête. Les applications de ces lasers continus et déclenchés de grande puissance sont nombreuses; nous les énumérerons brièvement.