Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Мощность высокой частоты подается при этом (обычно емкостно) на две параллельные электродные пластины поперек лазерного пучка. При высокочастотном возбуждении энергия более однородно попадает в разряд, чем в случае возбуждения постоянным током. Это дает улучшение качества пучка и повышение коэффициента полезного действия. Еще одно преимущество состоит в том, что между металлическими электродами и плазмой может находиться диэлектрический материал, например, стекло, что исключает соприкосновение плазмы с металлической поверхностью. Благодаря этому снижается и загрязненность газа, что позволяет работу даже кВт-лазеров без замены газа. Кроме того, при высокочастотном разряде не нужен катод, создающий нестабильность.
Благоприятно также и то, что здесь не требуются нагрузочные (балластные) сопротивления, стабилизирующие разряды постоянного тока с отрицательной характеристикой. Впрочем, следует отметить, что высокочастотная техника для ввода излучения в ннзкоомную плазму достаточно сложна. Отличное качество пучка СО,-лазеров с высокочастотным возбуждением делает этот тип особенно привлекательным для сферы обработки материалов.
Лазеры атмосферного давления с поперечной накачкой (ТЕуа/азег) Выходная мощность СО,-лазеров с продольной накачкой может быть увеличена за счет повышения давления примерно до!00 мбар и роста напряжения. При по- вышенном давлении разряд становится нестабильным. В импульсных разрядах (= 1 мкс) генерация лазерного излучения может достигаться еще до возникновения нестабильностей, так что возможны давления газа выше 1 бар.
Поскольку напряженность поля составляет до 100 кВ/м, для понижения напряжения применяют электроды поперечного расположения (рис. 6.9). Речь идет, таким образом, о лазерах атмосферного давления с поперечной накачкой, или ТЕА (англ. 1гапзчегза1у ехс)гет! а1гпозрйепс ргеззпге!азег). ечный катод кое напряженке Лазер ~> Ре за Рнс.
6.9. Схематическое представление лазерной системы с поперечным разрядом (напрнмер, СО,-лазера) С целью однородного растягивания разряда на весь большой объем газ предыонизируется посредством ультрафиолетовых или электронных лучей. Коммерческие ТЕА-лазеры предлагаются с энергией в импульсе до нескольких кДж при частотах 3/мин. На каждый литр газовой смеси достигается энергия в импульсе до 50 Дж. При длительности импульсов от 0,1 до 10 мкс возникают пиковые мощности в ГВт-диапазоне. Импульс у лазеров атмосферного давления с поперечной накачкой состоит из главного импульса длительностью 0,1 — 0,5 мкс и следующего за ним «хвоста» длительностью около 1 мкс.
Главный импульс обусловлен прямым возбуждением лазерных уровней в разряде, а следующие за ним более медленные компоненты — передачей энергии от молекул Х, к молекулам СОР По причине высокого давления линия уширяется на несколько ГГц, поэтому здесь возможна синхронизация мод.
Ширина импульса обратно пропорциональна ширине полосы, причем возможна генерация 100 пс. Типичные характеристики импульсов для лазеров атмосферного давления с поперечной накачкой приведены в таблице 6.3. Основные области применения лазеров описанного типа таковы: исследование плазмы, спектроскопия, фотохимия и маркировка деталей. Короткие импульсы вызывают интерес медиков, ибо при этом возможно снижение влияния теплопроводности.
Газадиналеические СО,-лазеры У газодинамических лазеров инверсия населенностей достигается за счет быстрого расширения горячего газа. При этом смесь (8 % СО„92 % )ч(,) нагревается примерно до ! 400 К и сжимается до 17 бар. Тогда в тепловом равновесии населенность верх- ~~~В Г бч, у р фр р ~ (рр~ него лазерного уровня (00'1) составляет около 10 %, а населенность нижнего лазерного уровня — 25 %. Посредством ряда параллельных сопел смесь расширяется, охлаждаясь при этом (350 К; 0,1 бар). Поскольку время жизни на верхнем лазерном уровне значительно длиннее времени жизни на нижнем лазерном уровне, релаксация последнего протекает гораздо быстрее. Благодаря этому создается инверсия населенностей. Оптимальная скорость расширения ориентировочно равняется числу Маха 4.
При расширении остаются населенными ц =! колебательные уровни молекул Нг Они действуют как накопитель запасенной энергии для пополнения верхнего лазерного уровня. Оптическая ось лазера ортогональна скорости течения. Непрерывные газодинамические СО,-лазеры обеспечивают мощности до 80 кВт. В импульсном режиме могут генерироваться энергетически сильные импульсы в миллисекундном диапазоне. К сожалению, газодинамическим лазерам пока не удается завоевать право на практическое применение.
Перестраиваеядые СО,-лазеры высокого давления При давлении выше 10 бар уширение с повышением давления в естественной смеси СО, примерно такое же, как интервал между вращательными линиями (30 — 50 ГГц). Для других изотопов ("С "ОиО) эти величины сокращаются вдвое, так как число вращательных линий удваивается. Благодаря этому удается с помощью СО,-лазеров высокого давления добиться непрерывной перестройки длин волн в пределах отдельных Р- и Я-ветвей (рис. 6.5). При высоких давлениях предпочтительнее предыонизация газовой смеси посредством рентгеновского излучения. Системы с электронно-лучевым возбуждением использовались до давлений 50 бар. С учетом большой ширины полос, лазеры высокого давления находят применение и для генерации сверхкоротких импульсов, причем достигается длительность импульсов менее 30 пс.
Области применения СО,-лазеров приведены в таблице 6.3, а таблица 6.4 содержит характеристики пучка коммерческих СО,-лазеров. 'йблиаа 4.4. Характеристики пучка коммерческих СО,-лазеров 6.3. СО-лазеры Конструкция СО-лазера практически идентична таковой у СО,-лазера. Но есть одно различие: в первом случае длина волны излучения составляет 5 мкм.
К газу СО-лазера, как и в случае с СО,-лазером, добавляются азот (1ч,) и гелий. А вот механизм возбуждения и схема энергетических уровней СО-лазера имеют свои характерные особенности (рис. 6.10). Двухатомные молекулы обладают лишь одной серией колебательных уровней. В импульсных или непрерывных газовых разрядах возбуждение этих уровней может осуществляться посредством столкновений электронов с молекулами СО. Дополнительно, как и у СО,-лазера, достигается высокая населенность на основе столкновений с метастабильными молекулами Хг Почти 90 % электронной энергии в газовых разрядах способно преобразоваться в молекулах СО в колебательную энергию. У СО-лазера квантовый выход может стать очень высоким, ибо нижний лазерный уровень определенного лазерного перехода иногда становится верхним лазерным уровнем следукнцего лазерного перехода (по каскадному принципу).
в= 4 8000 6000 в и е 4000 2000 0 СОэ Нр СО 1З2 СОглазер Со-лазер Рве. 6.10. Сравнительная характеристика схем энергетических уровней СО- и СО,-лазеров В газовом разряде возбуждаются ниже- и вышележащие колебательные уровни. Важным процессом релаксации для уменьшения населенности более высоких уровней является переход части колебательной энергии возбужденного колебательного состояния в основное состояние (зз-тз-столкновение). СО (зз=лз) + СО(зз=О) 4 СО(зз=лз — 1) + СО (и=1) — 1зЕ.
(6.11) Интервал между колебательными уровнями у молекулы СО (ангармоничный осциллятор) не полностью эквидистантен: он сокращается по мере увеличения квантового числа и. Вытекающий отсюда дефект энергетической зоны ЬЕ при столкновении приходится покрывать кинетической энергией.
Если температура газа столь мала, что ЛЕ > 1с Т, то и-зз-релаксация в основном состоянии происходит только до определенного уровня. Вышележащие состояния вследствие релаксации из более высоких уровней населяются теперь сильнее, чем нижележащие. В итоге при возбуждении происходит инверсия в силу того, что более высокие колебательные уровни, согласно уравнению (6. 11), не способны к расщеплению в результате релаксации. Чем ниже температура, тем меньше колебательное квантовое число, до (ас т хи ур фрр р~р ри которого возможна релаксация. В случае разрядных трубок с воздушным охлаждением (температура стенки = температура помещения) наступает перенаселенность, прежде всего, между колебательными уровнями с квантовыми числами и = 9 и и = 8.
При достижении генерации излучения СО-лазера нет абсолютной необходимости добиваться полной инверсии и-состояний. Здесь достаточно частичной инверсии между вращательными уровнями лазерных переходов (рис. 6.11). Для создания СО-лазера требуется эффективное охлаждение газа, поэтому разрядные трубки охлаждаются жидким азотом до температуры 77 К. При конвекционном охлаждении используются потоки газа со сверхзвуковой скоростью. Для лучшего охлаждения газа и повышения стабильности используется разряд с добавлением гелия. Еще одна добавка — )х), — призвана благоприятно влиять на распределение скорости электронов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
