Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Кроме того, возможно возбуждение СО- лазерных уровней на основе обмена энергией с возбужденными молекулами Хг Разрядные схемы для СО-лазеров идентичны таковым для СО,-лазеров. ч ч' Л Ь Ю Ф и ж 3 О 4 8 Х О 4 8 Рис. 6.11. Лазерные переходы осуществляются между разными вращательными уровнями, инвертированными относительно друг друга Ниже приведены типичные параметры разрядов при разрядной трубке с воздушным охлаждением длиной 1 м и диаметром 2 ем: давление заполнения 1,6 1О' Па Не, 58 Па СО, 400 Па Хн рабочее напряжение 9 кВ, ток разряда 20 мА, выходная мощность в непрерывном режиме 25 Вт с 12 % кпд. Коммерческие СО-лазеры предлагаются с выходными мощностями от 2 до 20 Вт в спектральной области 5 — 6 мкм; импульсные лазеры достигают энергии 40 мДж, длительность лазерных импульсов составляет несколько микросекунд. В то время как теоретически максимальная квантовая эффективность СО,-лазера равна 41 %, соответствующее значения для СО-лазера достигает— благодаря каскадной структуре — почти 100% (рис.
6.!О). Поэтому СО-лазеры могут обладать чрезвычайно высокими кпд для преобразования электрической мощности в мощность лазерного пучка. Правда, здесь придется позаботиться и о достаточно мощном охлаждении, что приводит к снижению общего коэффициента полезного действия и несколько усложняет систему в целом. Поэтому СО-лазеры применяются не столь широко, как СО,-лазеры. Тем не менее, в последние годы на рынке появились системы, функционирующие с температурой, близкой к комнатной. В силу этой и других причин СО-лазер стал вполне привлекательным источником излучения, в частности, для медицинской техники и в сфере обработки материалов.
Другим значительным отличием является гораздо более широкий спектральный диапазон. Так как колебательные уровни ангармоничны, между разными уровнями б4 Ф р д~ д (Н5. р !21~)) образуется очень много линий. Спектр частот составляет от 4,744 мкм при Р (9)-переходе от первого к нулевому уровню (в=1 — > о=0) до 8,255 мкм при Р(8)-переходе от 37 к 36 уровню (о = 37 — ~ и = 36). 6.4. Фтороводородные [НЕ)-лазеры В результате химических реакций для генерации лазерного излучения может возбуждаться целый ряд молекул; так, в последнее время повышенное внимание привлекает, в частности, фтороводородный лазер.
Вообще, химические лазеры способны генерировать весьма высокие мощности, поскольку энергия может эффективно накапливаться в химических соединениях. Запасенная плотность энергии из расчета на объем будет в химических соединениях на порядок выше, чем, скажем, в электрических конденсаторах. Большинство химических лазеров генерирует излучение на переходах между колебательными уровнями двухатомных молекул. Излучение находится в инфракрасной области спектра от 1 до 10 мкм (см. таблицу 6.5).
Большие химические лазеры для военных целей исследуются, в частности, на предмет их использования в космическом пространстве. США планируют устанавливать лазеры в самолетах с целью тестирования ракетного оружия. Небольшие химические лазеры, преимущественно НГ-лазеры с длинами волн около 3 мкм, применяют для реализации проектов в химической промышленности, в спектроскопии и при испытании материалов. табхааа 6.5.
Важнейшие химические лазеры Схема энергетических уровней и процессы возбуждения Химические реакции могут протекать таким образом, что в качестве конечного продукта образуется молекула в возбужденном колебательном состоянии основного электронного уровня. Так, например, реакция, приводящая к образованию НГ является экзотермической: (6.12) Гт Н,— э Н+ НЕ+ОН, где (хН= 132 кДж/моль= 1,3 эВ на молекулу. Избыток энергии ЛН в объеме почти 70 % идет на возбуждение колебательных уровней молекулы НГ до колебательного квантового числа и= 3.
На основе переходов между этими уровнями с ~~~~22 Глава б. Молекулярные инфракрасные лазеры (нразеры) разным квантовым числом тт при химической реакции генерируется излучение. Возбуждение — селективное, так что достигается инверсия населенностей между колебательными уровнями. Схема энергетических уровней и схема реакции у Н Г-лазера показаны на рис. 6.12. Исходными вешествами являются Г + Нг В результате реакции (6.12) освобождается ЛН. Эта энергия может распределяться по разным колебательным уровням молекулы НГ с квантовыми числами и = О, 1, 2 и 3, причем для ц = 3 требуется дополнительная тепловая энергия. Скорости перехода на разные колебательные состояния, определяюшие населенность этих уровней, выражаются через )с, — )сг Соотношение составляет тса1 lс,: тст1 /ст = 0,15: О 3: 1: О 5.
При этом уровень ту = 2 обладает самой высокой населенностью, и возникает инверсия населенностей относительно уровня тз = 1. н+нг( =3) к+н "3 ДН =1,З эВ а в о Ф Р\ Исходные Активированный Конечный вещества комплекс л1тодукт Рнс. 6.12. Схема энергетических уровней НГ-лазера Каждое колебательное состояние расщеплено врашениями молекул. В отличие от СО,-лазера, в случае двухатомных молекул имеется только одна серия врашательных уровней с 1= 0, 1, 2, 3,...
Данные врашательные уровни показаны на рис. 6.12 только для состояний тз = 1 и тз = 2. Между этими колебательно-врашательными состояниями располагаются самые интенсивные линии НГ-лазера в диапазоне длин волн от 2,7 до 3,3 мкм (рис. 6.13). Интенсивные 2Р(3)-линии Р-ветви представлены в качестве примера на рис. б. 12. Там цифра 2 означает квантовое число тз верхнего лазерного уровня, а цифра 3 в скобках — вращательное квантовое число У нижнего лазерного уровня.
Для протекания реакции (6.12) необходимо присутствие атомарного фтора. Его можно получить на основе реакции молекулярного Г, с атомарным водородом: Н ч- Г, — э Г + Н Г ч- 410 КДж/моль. (6.13) Образующийся в результате этой реакции атомарный фтор может привести к указанной выше реакции (6.2). При этом, как и в случае цепной реакции, количество возбужденных НГ-молекул превышает количество первоначально образованных Г-атомов. Под действием выделившегося в результате реакции (6.! 3) тепла дд.в д д Р д дадд- Р ~дддддд населяются и более высокие колебательные состояния молекулы НГ причем можно наблюдать генерацию лазерного излучения до и = 6.
20 0 Я н 100 0 2,б 2,8 2,7 5,0 2,9 Длина волны, мим Рис. Ьлз. Пинии излучения НГ-лвзерв. Мп!!!1!пе: при зеркалах с отражением в широком диапазоне все линии колеблются одновременно; Епв!е1!пе: при наличии селективных элементов (решеток) образуется только одна линия Конструктивное исполнение Молекулы НГ могут образоваться из молекулярного Г, и Н, в газовых разрядах, причем в качестве исходных вешеств принимаются доноры фтора и водорода в виде БГ, и Н, или С,Н,.
Атомарный фтор образуется в разряде на основе диссоциации, атом Г вступает в реакцию с молекулой Н„в результате чего появляется возбужденная молекула НЕ Техника разряда у НГ-лазера практически идентична таковой у СО- и СО,-лазеров, особенно в схеме ТЕА (СО,-лазер атмосферного давления с поперечной накачкой). Смесь газов предыонизируется ультрафиолетовым излучением. При добавлении Не и О, разряд стабилизируется, и, возможно, появившаяся в результате диссоциации сера ЯГ, связывается в БОг Давление заполнения составляет от 2 10' до 6.
104 Па. Соотношение в смеси зависит от Г- и Н-доноров. Типовым соотношением давлений для соединений Г и Н считается 10:1. Напряжения устанавливаются на уровне 20 — 40 кВ. Выходная энергия для импульсов при генерации на многих линиях достигает нескольких джоулей в случае коммерческих лазеров. В экспериментальных же системах энергия импульсов может составлять 1 кДж. Длительность импульсов находится в диапазоне от 50 до 200 нс. Отработавший газ откачивается из разрядной камеры, но после отделения НГ может использоваться снова.
При умеренной подаче ЯГд и Н, лазер способен работать на одной заправке в течение нескольких часов. ~~~~24 Глава б. Молекулярные инфракрасные лазеры (иразеры) Задачи Резонатор гугб,н2,8оо,не акуумнмй насос Не вгв о2 Рнс. 6.14. Конструкция НГ-лазерв с внерезонаториым разрядом Лазер Разрядная камера ОГ-лазеры Фторид дейтерия в химическом смысле ведет себя аналогично Н Г так что и лазеры на Е1Г функционируют приблизительно по тому же принципу.
При наличии большей (в два раза!) массы атома дейтерия по сравнению с атомом водорода, молекулы з)Г демонстрируют более медленные колебания. ПГ-лазеры генерируют излучение даже при несколько более длинных волнах, при которых атмосферное поглощение водяного пара значительно ниже, чем это бывает у НГ-лазеров. Поэтому ОГ-лазеры выбираются обычно при необходимости распространения излучения через атмосферу. Разработки больших лазерных систем с непрерывными выходными мощностями в единицах мегаватт, предназначенных, главным образом, для военных целей или т.п., в последнее время были свернуты.
ЗАДАЧИ 6.1. Какова термическая населенность нижнего лазерного уровня 0,15 эВ у СО,-лазера при 100'С и 800'С? В результате тепловой или микроволновой диссоциации Г, может генерироваться поток атомарного фтора Г и в процессе реакции смешиваться с Н„вследствие чего достигается непрерывная генерация лазерного излучения. Пример конструкции НГ-лазера приведен на рис. 6.14.
Там атомарный Г получают, например, в разряде вне резонатора. В резонатор же он помещается с Н, именно для протекания реакции. Такие НГ-лазеры непрерывного действия предлагаются с мощностями от 1 до 150 Вт. Лазеры в специальном исполнении могут достигать непрерывных мощностей до 10 кВт. Поскольку энергия возбуждения создается в результате химической реакции (6.12), то возможны электрические кпд до 70 %. Непрерывные и импульсные лазеры могут использоваться для генерации на многих линиях, либо выбирается только одна линия (рис. 6.14), причем этот выбор осуществляется посредством вращающейся решетки в резонаторе. В этом случае мощность составляет несколько 10 % от значения без селекции. Возможна и работа с модой низшего порядка (ТЕМ ), но для хорошего качества пучка часто используются нестабильные резонаторы.
Следует иметь в виду, что НГ- и ОГ-лазеры эксплуатируются с сильно корродирующими газами, и даже коммерческие установки находят применение преимущественно в лабораториях. 3 д ~~2Д~5 6.2. Вычислить разность энергий между вращательными линиями СО,-лазера. (Постоянная вращения для верхнего и нижнего лазерных уровней составляет В,=0,5 см '). 6.3. Верхний лазерный уровень СО,-лазера имеет при Т= 370 К максимальную величину населенности с У = 17. Исходя из этих данных, определить постоянную вращения В, 6.4. Попы гайтесь элементарно обосновать, почему колебательные уровни молекул Х, и СО обладают практически равной энергией. 6.5.
СО,-лазер атмосферного давления с поперечной накачкой генерирует импульсы 0„1 мкс с энергией 1О Дж/1. Активный объем имеет поперечное сечение 1 см'и длину 10см. Вычислить: (а) пиковую мощность и (б) среднюю мощность при частоте следования импульсов7'= 2 кГц. 6.6. Пользуясь схемой энергетических уровней Нр-лазера, определить квантовую эффективносп . Сколько примерно граммов фтора (г,) потребуется для одного импульса с 1 Дж? ГЛАВА 7 МОЛЕКУЛЯРНЫЕ УФ-ЛАЗЕРЫ Импульсная генерация лазерного излучения в ультрафиолетовой области спектра достигается при переходах мехСду электронными уровнями в молекулах. При этом в качестве активных сред используются двухатомные устойчивые молекулы, как то: Н,, 1х1, и эксимеры — прежде всего, галогениды инертных газов. Эксимеры — это молекулы, сушествуюшие лишь короткое время в возбужденном состоянии и быстро распадакнциеся после перехода в основное состояние.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
