Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 38
Текст из файла (страница 38)
при г = О, г,д = 1/2; ! ( 1„ где г, и г, — расстояния от плоскости г = 0 до торцов трубки. В этом случае дифракционные потери на торцах одинаковы, так как радиусы пятен в поперечных плоскостях, соответствующих торцам, равны между собой. 3.
При смещении плоскости симметрии газоразрядной трубки относительно плоскости г = 0 на величину 0 ( р ( (/. — /)/2 г1л 1/2 + р. (8.20) При этом дифракционные потери обусловлены торцом трубки, которому соответствует большее значение г.
4. При использовании плоскосферического резонатора необходимо рассматривать дифракционные потери на торце трубки, который расположен ближе к сферическому зеркалу: г = / + р, где р — расстояние между плоским зеркалом резонатора и ближайшим к нему торцом трубки, причем 0 ( р ( (1. — !). Отметим, что показанное на рис. 8.10, б семейство графиков дает возможность наглядно проследить влияние параметров /„Й, ! и р на значение дифракционных потерь йд„ф для моды ТЕМои в случае, когда газоразрядная трубка с заданным внутренним диаметром с/, устанавливается в резонаторах различных типов.
С другой стороны, при заданных дифракционных потерях можно определить наиболее рациональную конфигурацию резонатора и его параметры, что значительно облегчает расчеты, связанные с выбором внутреннего диамет- 160 ра газоразрядной трубки при проектировании малогабаритных газовых лазеров. Длина кювета определяется из экспериментальной зависимости коэффициента квантового усиления 6 (т) от диаметра кювета д„! ! = 6 (ч) сь,/р!,, (8.21) где — )/Р*- (8.24) ди ! — р/сии где й/ф — — число Френеля; Х = — безразмерная нели! — Удаи чина, определяемая конфигурацией резонатора; р — расстояние от торца кювета до зеркала, причем рд +1+ рд = !- (8.25) 1б! б гп,=124 !0~; п=! при с!„=35 мм; т, =0,4 ° 10 ~; и = 1,4 при с(„)3,5 мм.
Коэффициенты отражения зеркал можно определить из условия стационарности поля в резонаторе и из оптимального значения коэффициента пропускания выходного зеркала: 6дг1ги = 1; тд, = 1 — г,. (8.22) Поскольку коэффициент усиления 6 (т) газовой активной среды мал, чтобы получить генерацию, необходимо иметь зеркала с большим значением коэффициента отражения.
Практически г, = 0,995; ги = 0,9... ...0,95, что обеспечивается высоким качеством диэлектрических покрытий. Существует оптимальный коэффициент пропускания, для которого мощность, излучаемая лазером, будет максимальной (рис. 8.11, а). АиаЛИТИЧЕСКИ ВЫЧИСЛИТЬ тхо~~ = У6 (т) !)дис (Здис ДОСТИТОЧНО СЛОЖ но, так как входящий в полные потери коэффициент диссипативных потерь рд„, флюктуирует и составляет Дд„= 0,001...0,0025. Если выходная мощность Р„определена экспериментально, то достаточно просто построить график зависимости функции Р, ох суммарных потерь в резонаторе Р,„„= / (!)г)' Ь=5 ф+5 ° +тдо где ординаты искомой кривой определяются по формуле Р ° = ' Ф .Ь) (! + !1 .ф/тд).
(8.23) Здесь тс — коэффициент пропускания выходного зеркала. Практически можно рекомендовать значения коэффициента тд = 0,015...0,002 для сферического и плоского зеркал соответственно. Выходные окна на концах кювета для уменьшения потерь энергии в резонаторе закрепляют под углом Брюстера /а = агс!я и, где и— показатель преломления материала окна. Критический угол разъюстировки зеркал резонатора определяется зависимостью Хмх б (8.26) РАк 350 ...
400 Па (8.27) Рпе + Рые = Рг Рне 5Рмс /, = 3+ 1,бп'„. (8.28) 6 (Р) 6гппх Ехр 183 182 б и Л, 1Р;/з Ча -г У б' Ф Рис. 8.11. Экспериментальное определение коэффициента пропускания выходного зеркала (а) н схема конструкции газодинамического лазера (б): ОГ 1 ОаИИСИМОСтЬ Ри,сх /(ззп а — ЗаОИСИМОСтЬ Р „= ф Фг Пх бг! камера сгорании: у сворххнукоиыо сопла; 3 — оптический роооихтор; О днффуоор При расчете давления в гелий-неоновых лазерах необходимо стремиться к тому„чтобы процесс передачи возбуждения доминировал в направлении от атомов гелия к атомам неона. Этого добиваются увеличением концентрации атомов гелия.
Оптимальное соотношение парциальных давлений неона и гелия находится в пределах 1; 5...1: 15 при избытке гелия. На практике установлено, что оптимальный коэффициент усиления активной среды в кюветах диаметром от ! до 15 мм соответствует зна- чениям при соотношении парциальных давлений где р, — полное давление смеси; Ри, — парциальное давление гелия; ры, — парциальное давление неона. Например, при с(„= 4 мм Р„ж яи 90...120 Па.
Оптимальное значение разрядного тока в миллиамперах может быть рассчитано по эмпирической зависимости (23) Расчет энергетических характеристик. Выходную мощность маломощных газоразрядных лазеров рекомендуется вычислять по формуле Гугпхх Р.,= — 1 тю риис + тд где  — параметр насыщения. Коэффициент квантового усиления можно определить аналитически (см. (8.3)1: 1п 2 )е йхлы 1 '/з '"х ~1 — резонансное значение где 0 = „ а фп ), а й / коэ1(хрициента у эфф ента усиления для доплеровск у р ки ши енной спектральной линии.
ранстаенных характеристик. Ширина Расчет спектральных и пространс спектральной линии излучения лазера знато в /!тй — (/(тр) ( вых пирической зависимости (12, 23) и выражается определяется также по эмпирич егаге цах. в м Р дтг, = 26+ 146Р,. Ширина доплеровски уширеннои р й спект альной линии /(то = 2то )г 2ИТ!п 2/(Мс'), где М вЂ” атомная или мол у ек ля.ная масса.
Расстояние между двумя соседними резонанс нои к ивои панс Р Ли = б/(26). ости может быть определено как Т " тическое значение расходим ео„ з ч та - и акбез чета ограничения з-и оо из-за д р ть изл чения увеционных потерь, ели ндиф , Е "„учитывать, то расходимост у тя иа личи с уд ф ~ 1,22)со/йго Для любой и-й поперечной м, оды расходимость может быть рассчитана так: 2т (л) пип ) гйй о ы' й = 2п/)со — волновое число. где ш, п — индексы моды; вый лазер с конфокальным резонатором при П имер. Рассчитать гелий-неоновы Ь = )7 = 100 см.
|ной методики, находим конструктивные параметры: 03 х( 8 5Ы 40 Рг= 1 р ки выходного зеркала для парпмпгров Резонатор ° с" о ( ) 4 рн а и кювета: р, = рх см; 3...5 мВт, ко иц кювета с(к 1,4...0,8 гм; Вх 0 04; р „ 001; Р„ж, . а ип 0,015. Частотные характеристики следуюш — 2 1О з Гц; йип 150...800 МГц. — 1' то соответствует заниженному — 2.
имость излучения описано д оо — то й мо ы яп ', что с асхо о имость излучения в ьтату. В действительности расходи 1 49' и для второй поперечверкалами для перво попе„ й речной моды неличивается на иой моды — на 1,73' соответственно. а.6. Газединамичесиие лазеры Газовые лазеры, у которых источниками ввергни являются колебательно-возбужденные молекулы, а инверсия населенностей создается путем быстрого расширения предварительно нагретой усиливающей газовой смеся, движущейся со сверхзвуковой скоростью через оптический резонатор, называются газодиналгичеспилти.
Впервые идею их создания и получение генерапин в 1968 г. на аз = = 10,6 мкм осуществили А. М. Прохоров и В. К. Конюхов [24!. Активной средой в такихлазерах являются газовые смеси молекул углекислого и угарного газов (СО„СО), азота н окиси азота (Х„ХОз), паров воды, кислорода и инертных газов (Не, 5[е, Аг, Кг). В основном в газодинамических лазерах используют газовую смесь: Из (80...90 % объемных долей), СО, 5...10 %) и пары Н,О (1...2 %); молекулярный азот — газ с большим временем колебательной релаксации и колебательное возбуждение Из сохраняется даже прн высокой температуре (Т = 1300...1400 К). Молекулярный углекислый газ является вторым компонентом смеси.
Молекула СО, имеет разрешенный квантовый переход на длине волны лз = 10,6 мкм и возбужденный колебательный уровень ее 00' 1 совпадает с колебательным уровнем молекулы азота. Между ними происходит резонансная передача энергии колебательного возбуждения.
Таким образом„ энергия колебательного движения молекулы азота является резервуаром, откуда черпается энергия для лазерного излучения. Молекула СО, имеет малое время колебательной релаксации и населенность ее уровней на пути к оптическому резонатору (рнс. 8.11, б) близка к равновесной. Только населенность возбужденного уровня 00' 1 поддерживается постоянной за счет столкновений с молекулами !ч з. Населенность нижнего уровня 10 0 молекулы СО, (Е, = 1388 см ') прн температуре сверхзвукового газового потока Т = 300 К мала и поэтому в проходящем через оптический резонатор газе имеет место инверсия населенностей.
За время, в течение которого газовая смесь проходит резонатор, каждая молекула СО, совершает три-четыре цикла: переход из основного состояния на уровень 00' 1 - излучательный переход при столкновении с колебательно-возбужденной молекулой и релаксационный переход на основной уровень 00' О. Пары Н,О сокращают время жизни молекул СО, на нижнем энергетическом уровне и ускоряют релаксационный переход в основное состояние. Эту же функцию может выполнить гелий с концентрацией 40...60 % при замещении азота (см.
рис. 8.5). Для создания инверсии населенности при быстром расширении газа используется способ пропускания смеси углекислого газа с азотом через сверхзвуковое сопло Лаваля [24!. В камеру такого газодннамического лазера (см. рис. 8.11, б) подаются горючее (СзНз нли СО) и окислитель (воздух). В результате горения образуется горячая газовая смесь, состоящая из углекислого газа и паров воды.
Для обеспечения необходимых пропорций газовой смеси (прнмерно !О % СО, и 1 % паров Н,О) и заданной температуры (около !400 К) в камеру добавляется азот. Колебательная энергия молекул азота передается в резонансных 1б4 столкновениях молекулами углекислого газа. Нагретая газовая смесь быстро адиабатически расширяется и через решетку сверхзвуковых сопел поступает в оптический резонатор. Параметры установки выбирают так, чтобы в резонаторе населенность верхнего колебательного уровня молекул СО, соответствовала температуре в камере, а населенность нижнего уровня — температуре газового потока за соплом. Вследствие высокой плотности потока и его высокой скорости истечения, соответствующей числу Маха около четырех, достигается инверсия, беспечивающая работу лазера с большой выходной мощностью.
Молекулы И„проходя через сопло, теряют часть колебательных квантов, а молекулы СО, — практически всю свою энергию. Эффективность сопла оценивается величиной <р, 0,5...0,8. Это к. п. д. сопла— отношение количества колебательных квантов на выходе из сопла к количеству квантов на входе. В диффузоре, куда газ попадает после резонатора, поток замедляется, и давление в нем поднимается выше атмосферного; поэтому выхлоп отработанного газа осуществляется без откачки. Газодинамические лазеры, рабочую смесь в которых образуют продукты сгорания, обеспечивают мощности излучения, превышающие в непрерывном режиме 100 кВт [231. Расход газовой смеси на единицу площади сопла в единицу времени рассчитывается по формуле [24! 'се й'з(д ! ! ) (8,30) где Фз — населенность активной среды; й, = 1,4 — показатель адиабаты термодинамического процесса, протекающего без теплообмена с окружающей средой. Энергия колебательного возбуждения оценивается количеством колебательных квантов т = и ~ехр( — Г) — 1~.
При Т = 1300 К тз 8 %, йчlй = 3360 К. Эффективность резонатора оценивается величиной срр 0,1...0,8, показывающей, какое количество колебательных квантов переходит в кванты излучения. Выходная мощность излучения зависит от !;г„ гр„грр, та: Р,, = О,йтигр,трать, (8.32) где и — концентрация молекул азота. В резонаторе возникают особые виды потеры вынос из резонатора возбужденных частиц азота и потери излучения в неоднородностях турбулентного потока, протекающего через резонатор газа. Пример.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
