Непрерывные СО2 лазеры

В 1964 году Пател запустил первый СО₂ лазер. Достигнутый им успех определился двумя факторами: он использовал смесь СО₂ и N₂ и применил для накачки такой смеси тлеющий разряд. Первые лазеры имели оформление, представленное на рис. 2.8. Стеклянная или кварцевая трубка (1) выполняет три функции: 1) она отделяет разрядную полость с рабочим газом от окружающей воздушной атмосферы; 2)содержит электроды (4), обеспечивающие поддержание тлеющего разряда с заданными параметрами; 3) обеспечивает теплообмен, отводя выделяющееся в разряде тепло через стенки, и поддерживает тем самым нужный тепловой режим газовой смеси.

СО₂ лазеры такой конструкции называют диффузионными, так как тепло от разряда отводится процессом диффузии заряженных и нейтральных частиц к стенкам трубки. Для интенсификации радиального теплопереноса используют водяное охлаждение стенок, окружая их стеклянной водяной рубашкой (3). Торцы трубки герметично закрывают прозрачными для ИК-излучения выходными окнами (2). Поскольку СО₂ лазер генерирует излучение в диапазоне длин волн от 9 до 11 мкм (главным образом на волне 10,6 мкм), то стекло и кварц, как и некоторые другие оптические элементы, работающие в видимом и в ближнем ИК диапазонах излучения, для создания окон, прозрачных в этом дипазоне длин волн, непригодны, нужны особые материалы и о них речь впереди.

Характерные размеры первых СО₂ лазеров: диаметр разрядной трубки от 1 до 10 см, длина трубки до 2 м. При создании газоразрядного лазера необходимо решить три основные проблемы:

§ проблема организации разряда в трубке (камере);

· проблема отвода тепла, выделяющегося в зоне разряда;

· проблема «порчи» газовой смеси, главным образом из-за диссоциации молекул в разряде: СО₂ ® СО + О. Рассмотрим каждую из этих проблем.

Организация разряда складывается из сле­дующих элементов:

· выбор компонентов газовой смеси и соотноше­ний их парциальных давлений;

· выбор общего давления газа;

· выбор источника электропитания и его парамет­ров;

· установление зависимостей параметров среды (Т_а, Т_е, коэффициент усиления среды на длине волны лазерного излучения, выходная мощность излучения) от геометрических размеров трубки (камеры), от состава газа, давления, интенсивности охлаждения, от плотности разрядного тока и напря­женности электрического поля.

В лазерах диффузионного типа использовался типичный состав газовой смеси: СО₂, N₂, He. Нахождение оптимального соотношения парциальных давлений компонентов предпочтительно определяется эксперимен­тально. В качестве примера на рис.2.9 приведена экспериментальная зависимость концентрации инверсной насе­ленности Dn от парциального давления азота N₂ при разрядном токе 30 мА, парци­альном давлении двуокиси углерода в трубке диаметром 34 мм. В данном случае оптимум достигается при парциальном давлении азота ~ 1 ¸1,2 Тор, то есть при значениях

В других случаях это соотношение может быть иным, но не должно превышать ~ 3. Выбор парциального давления гелия более свободен и соотно­шение парциального давления Не к парциальному давлению СО₂ колеблется от 1 до 10.

Общее давление газа, как было отмечено при рассмотрении тлеющего разряда, не должно превышать 10 Тор. Учитывая, что доля молекул СО₂ в смеси газов не превышает 50%, а обычно из-за добавки гелия она существенно ниже, делаем вывод, что концентрация излучающих центров в актив­ной лазерной среде довольно низкая.

Проблема отвода тепла из зоны разряда – одна из самых существенных при попыт­ках повысить выходную мощность лазера. При напряженности электрического поля и плотности разрядного тока в каждом единичном объеме газа выделяется джо­улево тепло . Температура газа, нагре­ваемого этим теплом, определяется из соотношения:

n×c_p(T-T_o)×n_ea,I = j×E – W_охл

с_р. – теплоемкость при р = const, Т_о – комнатная температура, n_еа,I – частота со­ударе­ний электрона с атомом (слабо ионизо­ван­ная плазма) или с ионом (сильно ионизо­ванная плазма), W_охл – энергия, уносимая из зоны разряда в процессе охлаждения. При радиальном охлаждении в режиме диффузии эта энергия не велика, что накладывает жесткие огра­ничения на предельно допустимые зна­чения R, p, j, а также на предель­ную мощность излучения, которую можно достигнуть в лазере данного типа. Элек­тронная температура в тлею­щем раз­ряде, как уже говорилось, дости­гает порядка 2 эВ. Что же касается пре­дельно допустимой температуры нагрева газа, то представ­ление о ней можно получить из графика, приводимого на рис. 2.10. График отобра­жает зависимо­сти скоро­сти обмена колебательной энергией К_Т между молекулами N₂ и СО₂, скорости ре­лаксации верхнего лазерного уровня молекулы СО₂, и скорости релак­сации верхнего колебательного уровня молекулы N₂. В сочетании с возрастающей интенсивностью тер­мического заселения нижних лазерных уровней молекулы СО₂ это ведет к резкому снижению инверсной насе­ленности или к полному ее исчезнове­нию.

Выбор параметров источника питания. Блок – схема источника питания не­прерывного СО₂ лазера представлена на рис.2.11. Потребляя напряжение от сети электропитания 220/380 вольт пере­мен­ного напряжения, он состоит из регулятора напряжения (1),

высоковольтного трансфор­матора (2) и высоковольт-ного выпрямителя (3). Отдельным блоком в источ­ник питания входит прибор инициирования разряда (4). Инициирование разряда представляет собой особую задачу, для реализации которой используют, кроме от­дельного блока питания, поджигающий электрод, входящий в состав разрядной трубки. Система поджига создает импульс высокого напряжения, способный обеспе­чить пробой холодного газа в разрядном промежутке, либо создается высокочастотный импульс, способный обеспечить предварительную ионизацию газа в этом промежутке.

Параметры основного источника питания определяются электрическими свойствами разрядного промежутка в процессе горения в нем разряда и необходимыми пределами их изменения. Формирование требований к источнику питания опирается, как минимум, на знание вольтамперной характеристики (ВАХ) разряда. ВАХ зависит от геометрии разрядной трубки (камеры), от состава и давления газов, от степени ионизации плазмы (от электропроводности). Учет всех факторов, влияющих на ВАХ, в принципе может быть осуществлен расчетным путем, но это сложный и не всегда надежный путь. Поэтому чаще предпочитают находить ВАХ экспериментально для каждого конкретного устройства. Качественное представление о характерных особен­ностях ВАХ диффузного СО₂ лазера можно получить на конкретном примере, пред­ставленном на рис. 2.12. Эти зависимости получены при следующих параметрах лазера: диаметр разрядной трубки 20 мм, общее давление газовой смеси р = 2,5 Тор. Кривая (1) получена в условиях, когда использована смесь только двух газов – СО₂ и N₂ при отношении парциальных давлений кривая (2) – это ВАХ при наполнении трубки тремя газами с отношением парциальных давлений: Общее давление газа и разрядный ток те же, что и при получе­нии кривой (1). Обе зависимости падающие, то есть с повышением разрядного тока напряжение на разрядном промежутке уменьшается. Для нормального поддержания разряда при таком характере ВАХ необходимо ставить во внешнюю электрическую цепь балластное сопротивление.

С ростом разрядного тока растет концентрация электронов и увеличивается элек­тропро­водность газа. Качественно представление о характере такого роста дает эксперименталь­ный график на рис. 2.13. Зависимость n_e от i_p получена в тех же условиях, что и ВАХ на рис. 2.12. Но следует иметь в виду, что возможности повышения тока в тлеющем разряде ограни­чены пределами, о которых говорилось ранее.

Дата добавления: 2015-10-16