Мощность генерации лазера определяется коэффициентом усиления активной среды, а коэффициент усиления, в свою очередь, пропорционален инверсии. Поэтому, чтобы определить зависимость мощности от температуры, необходимо определить зависимость от температуры инверсии населенностей на лазерном переходе, т.е. определить функцию [N 
(Т) — N 
(Т)]=f(Т), где N и N — населенности верхнего и нижнего уровнейлазерного перехода соответственно. Прежде, чем перейти к определению этой функции, сделаем отступление в виде трех замечаний.
Замечание1
Оценим величину плотности тока разряда. Очевидно, она равна
J = j 
+j 
(1.10)
j=j +j =n eυ + n eυ = ne(υ + υ ) (1.11)
Т.к. υ >>υ , то формулу (1.11) можно записать в виде
j=j +j 
j (1.12)
Замечание 2
Оценим электрическую мощность, выделяемую в ГР. Если напряженность электрического поля в разряде Е, плотность тока (согласно замечанию 1) j j , выделяемая в разряде мощность Р, объем ГР V, то электрическая мощность, выделяемая в единице объема ГР, равна P/V=E виде j , откуда
P= (Ej )V (1.13)
Будем считать, что V = const, а изменяются только давление р газа и его температура Т. Тогда по закону Шарля
p/T=p 
/T , откуда p=T p /T , (1.14)
где p и T -начальные значения давления и температуры газа.
Известно, что давление — это энергия в единице объема. Тогда можно записать, что
p=Pt/V, откуда TP /T =jEt. (1.15)
Отсюда следует, что
Т ~ jE. (1.16)
Замечание 3
В результате интенсивного обмена между вращательными и поступательными степенями свободы молекул СО в рабочей смеси лазера устанавливается термодинамическое равновесие. Следовательно, распад населенности по вращательным подуровням подчиняется Больцмановскому закону:
N 
(1.17)
для СО -молекул В = 0,39 см 
, N 
— полная населенность на колебательном состоянии v, N 
— населенность на вращательном подуровне j колебательного состояния v.
После сделанных замечаний вернемся к обсуждению инверсии. Будем теперь исходить только из качественных соображений. Выделяющаяся в ГР электрическая мощность jE идет частично на резонансное возбуждение верхнего уровня (с КПД η 
80%), а оставшаяся часть идет на нагревание газа (с КПД η 
20%). Тогда
• в результате нагрева газа до температуры Т все состояния его молекул
в отсутствие лазерной генерации) приобретут некоторую заселенность, в том числе и нижнее состояние 1 лазерного перехода, которое будет находиться в равновесии с основным в соответствии с Больцмановским распределением:
N ~e 
, (1.18)
т.е. населенность нижнего уровня лазерного перехода будет экспоненциально увеличиваться с ростом температуры;
*верхнее состояние 2 лазерного перехода, ввиду более высокого расположения, практически не заселяется, поскольку для этого мала температура. Однако оно заселяется резонансным электронным ударом. Его заселенность N ~ j E ~ Т, т.е. населенность верхнего уровня лазерного перехода также будет увеличиваться с ростом температуры, но уже не по экспоненциальному закону, а линейному. Качественно зависимости N , (Т) и N (Т) приведены на рис. 26.
Рис. 26 Рис. 27
Наибольшее значение инверсии (N — N ) соответствует некоторой Т 
. В точке Т 
N = N и инверсия пропадает. Если учесть,что имеет место генерация, а следовательно и релаксация с верхнего уровня, то зависимость N (Т) будет иной (пунктирная линии). Но качественно ход рассуждений не меняется. Для СО -лазеров Т 700 — 800К, а Т 400- 500К.
Таким образом, одним из основных условий работы 
-лазера является обеспечение и поддержание температуры его рабочей смеси вблизи значения Т . Недопустимость перегрева его рабочей смеси выше этого значения требует его эффективного охлаждения. Отвод теплоты от рабочей смеси СО -лазера может осуществляться либо за счет теплопроводности к охлаждаемой стенке разрядной трубки (диффузионное охлаждение), либо путем замены (прокачки) нагретой порции газа новой (конвективное охлаждение).
Иногда ГЛ с диффузионным охлаждением называют ГЛ с медленной прокачкой, а ГЛ с конвективным охлаждением — ГЛ с быстрой прокачкой. В свою очередь, прокачка смеси может осуществляться как вдоль оси разрядной камеры (продольная прокачка), так и перпендикулярно ей (поперечная прокачка). Рассмотрим эти способы подробнее.
