The rate equations of the optically pumped iodine laser is treated theoretically and the solutions are obtained numerically by using the NOVA computer. In laser action, the chemical reactions, including photodissociation and deactivation by collision, take place and they have definite and decisive influence on the output power of the laser. All the chemical reactions already reported elsewhere are reviewed and the scattered experimental results of the laser actions are examined. From those results, 4-level model and 6-level model for the iodine laser scheme are constructed and the adequate laser rate equations are derived for each model respectively.
The solution of the rate equation gives the time-dependent photon density in laser cavity and the time-dependent population of each level. The calculation is performed for various laser parameters, i.e. pressure of the laser medium, pumping intensity, pumping mode, FWHM of pumping intensity, rising time of pumping intensity and pyrolysis constant. The experimentally measurable quantities, the time-dependent output power, peak output power and total output energy are obtained for both $CH_3I$ and $CF_3I$ gases respectively.
The experimentally known fact that the iodine laser using $CF_3I$ gas is more, efficient than that using $CH_3I$ gas, is investigated for the first time in this work. The reason lies in the higher efficiency of the pumping energy on photodissociation and the lower rates of deactivation in $CF_3I$ molecule over those in $CH_3I$ molecule. Also, the fact that laser output power is affected seriously by pyrolysis effect is clarified by taking into account of the time dependent pyrolysis rate constant and the pressure dependency is investigated.
The optimum gas pressures for a number of different pumping intensities are investigated. The optimum gas pressure becomes higher for higher pumping intensity. In the time-dependent output power at lower gas pressure or at lower pumping intensity, considerable spiking arises, but as pressure increases or as pumping intensity increases, spiking is smoothed out. These obtained optimum pressures, 120 torr for $CF_3I$ and 25 torr for $CH_3I$, agree excellently with the experimentally obtained values reported elsewhere. The experimental fact that the higher the pressure and pumping intensity, the shorter the output pulse length is again confirmed.
Considering the above results, the 6-level model and pumping modes adopted in the present research must be adequate enough to give the successful results in the calculation of the performance of any optically pumped iodine laser.
광 펌핑에 의한 요소레이저(iodine laser) 의 dynamics 를 연구 하고 레이저동작에 관련된 모개변수(parameter) 들에 대한 레이저 출력의 변화를 조사하기 위해 전자계산을 이용한 수치해석을 시행하였다.
레이저 동작중에 일어나는 화학반응들을 고찰하여 요소레이저의 에너지 준위에 대해 4-준위 모델과 6-준위 모델을 구성하고, 펌핑에 대해 고찰하여, 레이저 rate equation을 만들었고, 그리고 이 미분방정식을 한국과학원의 NOVA 컴퓨터에 의해 해를 구하였다.
시간에 대한 각 준위의 밀도(population) 의 변화를 계산하였으며, 모개변수에 변화를 주어, 각 조건에서의 최대출력(peak output power) 과 출력에너지(output energy) 를 구했다.
4-준위 모델과 6-준위 모델은 각각 이미 발표된 실험결과에 대해 잘 일치되는 계산결과를 보여주었으며, 판정된 특정의 레이저에 대해 최적치(optimum value) 들을 구할 수 있었다. 그 결과로서 Parent gas 의 기압과 펌핑의 세기가 증가함에 따라 출력펄스가 짧아지며, 또한 최대출력에 대한 최적기압은 출력에너지에 대한 최적기압보다 훨씬 큰 값을 갖게된다.
최적투과율은 펌핑의 세기에 따라 변화하며, 펌핑의 세기가 커질수록 높은 투과율의 값이 됨을 밝혔다.
온도의 변화에 따른 출력의 변화가 조사되었고, 요소레이저는 그 화학반응으로 인해 출력이 온도의 상승으로 인한 열분해(pyrolysis) 작용과 Quenching 현상을 통해 민감하게 변화함을 확인했다.
펌핑의 시간에 따른 변화를 Gaussian mode 등 다섯가지의 모우드로 주어, 출력펄스의 모양이 변화하는 것을 조사하고, Square top 의 형태와 같은 급격한 펌핑이 효율이 좋다는 것을 밝혔다.
이러한 계산을 통한 연구는 처음으로 시도된 것으로서, 부분적으로 개선의 여지가 남아있으나 만족할 만한 결과를 얻었다고 생각한다.
