Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники (1990) (1151950), страница 38
Текст из файла (страница 38)
6.4). Атомы аргона, соударяясь с электронами, ионизуются и переходят иа основноМ уровень иона — первое столкновение. Далее ионы аргона, сталкиваясь с электронами, переходят на верхние лазерные уровни. Пусть плотность числа ионов аргона в основном состоянии — Л~ь а плотность числа электронов — Л~,, В целом плазма разряда электронейтральиа, т. е. Ф; ж еУ,.
Прк этом предположении скорость накачки верхних лазерных уровней на единицу объема за счет данного процесса будет бУА)е Ле Ле Ле« В стационарном разряде плотность электронов пропорциональна плотности тока разряда: еУ, А Следовательно, 0Ф/И Р. Скорость накачки в стационарных условиях определяет мощность генерации. В стационарном режиме населенность возбужденного состояния ионов в первом приближении равна где 6 — средняя скорость хаотического движения электронов; и — максимальное аффективное сечение воабуждения ионов элек- 170 ,тронами; т — время жизни возбужденного состояяия иона; ЛЯ— разность энергий между возбужденным и основным состояниями нона; Т, — электронная температура, Концентрация электронов в плазме равняется концентрации ' яснов (Л', ж юг), поэтому разность заселенностей двух рабочих уровнеи — верхнего 1 и нижнего й — составит Лагг = Лт,б, (о;„гяг — о дтд) е г- — дз,д1(дт,) , где ЛЯд — разность энергий между уровнями 1 и й, Из этого выражения следует, что инверсия (ЛУгд > О) воз- '.
можна при условии аьит, .". о„дтд. Поскольку а, и а„,д по зна- чениям близки друг к другу, то возможность инверсии опреде- .ляется значениями т, и тд, т, е. временами жизни на рабочих уровнях, Время жизни на верхнем уровне т; должно быть больше времени жизни на нижнем уровне тд. Время жизни верхнего лазерного уровня порядка 10 ' с, тогда как нижний лааериый уровень (4з) определяется радиационным переходом в основное состояние и имеет время жизни около 1О' с.
Кроме приведенного механизма создания инверсии, который является основным, имеются еще и другие процессы, дающие вклад в инверсию. Значительный вклад в инверсию могут вносить ступенчатое возбуждение электронным ударом через метастабиль- ные состояния; каскадное заселение верхних уровней сверху. Количественный вклад этих процессов сильно зависит от режима работы лазера и конкретного перехода. Ширина линии излучения определяется доплеровским ушире- нием, обусловленным высокой нонной температурой Лтр ж ж 350 М(ц.
Основным параметром, во многом определяющим выходные характеристики ионных лазеров, является плотность разрядного ' тока. С ростом плотности тока мощность излучения растет при- близительно пропорпиональио кубу тока. Прп увеличении плот- ности тока скорость возрастания мощности снижается. В режимах, близких к рабочим, эта зависимость носит примерно квадратпч- ' ный характер. При дальнейшем увеличении плотности тока (600 — 1000 А/см-1 наблгодается насыщение и далее спад, вплоть до исчезновения генерации (рис, 6.5).
Спад мощности обусловлен в основном девозбуждеиием электронами верхних лазерных уров- , ней, пленением УФ резонансного излучения (Х = 72 нм), 100%- ной иоиизацией, вытеснением газа и др. Из-за большой плотности тока в газорязрядной трубке проис- .ходит перекачка ионов Аг 'по направлению к катоду, что приводит к срыву генерации. Для компенсации этого эффекта в конструк- ции газоразрядной трубки предусмотрена дополнительная трубка (обводной канал), обеспечивающая обратную циркуляцию газа (рис.
6.6). Для предотвращения возникновении разряда через эту трубку она делается длиннее основной газоразрядиой трубки. Кроме того, трубку обычно помещают и постоянное магнитное 171 Рнс. 6зк Зависимость мощности излучения лргоноиого ллзерл от плотности разрядного тока Рнс. 6.6. Схема лазера на лргонеа à — окна нод углом Брюстера: у — иатод; 3 — слетела отлеждекии~ З . керакиаескии кааилляр: З вЂ” обмотка соленоида; З вЂ” айод; à — обзоднои канал поле, параллельное оси трубки.
Продольное магнитггое поле существенно влияет на параметры плазмы; траектории электронов, движущихся поперек силовых линий поля к стенкам разрядной трубки, закручиваются. В результате частота соударений в плазме повышается, а потери на стенках уменьшаются. Напряжение горения разряда в магнитном поле снижается, и при том же разрядном токе мощность излучения увеличивается, т. е.
растет и КПД. С увеличением напряукеняости магнитного поля концентрация заряженных частиц возрастает, а электронная температура уменьшается. Рост концентрации ионов приводит к увеличению инверсии, а снижение электронной температуры — к ее уменьшениго. Поэтому зависимость мощности излучения от напряженности магнитного поля имеет экстремум. Оптимум напряженности поля лежит в интервале 2.10' — 10е А/и, а его конкретное значение зависит от плотности тока, диаметра капилляра, давления газа. Аналогичным образом зависит мощность излучения от давления наполнягощего газа.
Здесь оптимум лежит в диапазоне и†80 Па, Он также зависит от параметров разряда. Высокие плотности разрядного тока, выделяющаяся в разрядном капилляре большая тепловая мощность (сотни ватт с одного сантиметра длины), вытеснение, перекачка и поглощение газа обусловливают высокие требования к материалу трубки. В настоящее время они выполняются из кварца, окиси бериллия (ВеО), графита, анодировапных алюминиевых секции, тугоплавких металлов. Первые трубки были с кварцевым разрядным каналом. Низкая теплопроводность кварца и обусловленные этим ,ограничения по плотности тока привели к необходимости использования более теплопроводных диэлектрических материалов. Практическое применение нашла электровакуумная керамика на основе окиси бериллия, Ее теплопроводность близка к теплоа72 проводности алюминия, температура плавления 2700'С, напряжение пробоя 10' В/см; она хорошо спзнвается с электровакуумным материалом; предельные токовые нагрузки составляют 800 —- 1000 Л/см"".
Перспективными являются лазеры, использующие капилляры из вольфрамовых шайб. Такие капилляры обладают существенно большей прочностью, онн в меньшей степени подвержены эрозии, в них практически отсутствует поглощенпе инертного газа. Водяное охлаждение значительно осложняет эксплуатацию аргоновых лазеров, однако оно неизбежно при уровнях излучаемой мощности порядка 1 Вт и потребляемой мощности около 10 кВт. Если мощность излучения составляет 100 †2 мВт, то возможно ограничиться принудительным воздушным охлаждением.
В настоящее время выпускается большое число типов ионных газовых лазеров на различные уровни мощности излучения. Наибольшее распространение в промышленности получили приборы, работающие в непрерывном режиме, имеющие мощность излучения от долей милливатт до 5 — 20 Вт при КПД 0,01 — 0,1%. В отдельных образцах получена мощность излучения до сотен ватт при КПД до десятых долей процента. Высокая мощность излучения, повышенная энергия фотонов и возможность получения одночастотного режима обеспечилн распространение ионных лазеров как мощных источников оптической накачки в голографии, спектроскопии комбинационного рассеяния, медико-биологических исследованиях, для подводной локации и телевидения, в системах аэрофоторазведкн, лазерной , технологии получения кнпоформных и дифракционных оптических элементов и т.
п. б.5. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ЛАЗЕРЫ Молекулярные лазеры — одна из наиболее перспективяых и бурно развивающихся групп газоразрядных лазеров, что в основном обусловлено высоким КПД и большой мощностью в непрерывном режиме, Рассмотрим основные особенности молекулярной активной среды. В общем случае полная энергия молекулы представляет собой сумму следующих четырех компонент: 1) электронной энергии, обусловленной движением электронов вокруг ядер; 2) колебательной энергии, связанной с движением ядер; 3) вращательной энергии, обусловленной вращением молекулы; 4) трансляционной энергии.
Для описания механизма создания инверсии используются первые три вида энергии, так как трансляционная энергия не кваптуется. Между этими видами энергии существует следующее соотношение: Е, )) Е„,, )) Еею котороеможно выразить таким образом: Е,„: Е„,„: Е„, = 1 ~ )Гш~И: и/М, где т— 173 Рнс. 6.7. Схема рабочнх уровней лазера нв СОа (вверху ноказано Нвнменне атомов, отвечающее трем основным талал» колебаннй линейной молекулы Сое) 9-»Э-тЭ»~-4Э-~ ~-Э-йй йй ур'О Ое'О Одет рнс. 8.8. Переходы менку лвумв колебвтельнымн уровнями с уче- том вращательной структуры О,с »е» Ослоблое еослоелле масса покоя электрона; М вЂ” суммарная масса ядер атомов, составляющих молекулу.
Обычно лт(М = 10 '-:10 ', а Е,в, как известно, имеет значение порядка нескольких электронвольт. Верхний уровень и молекулярных лазерах расположен значительно ниже, чем в лазерах, использующих атомные и ионные переходы, поэтому в процессе возбуждения принимает участие сравнительно большая доля числа электронов. Этим и сйъясняется высокая эффективность накачки в молекулярных лазерах. Наиболее типичным представителем молекулярных лазеров является лазер на углекислом газе (СО„). Большое распространение имеет также лазер на СО, Основная длина волны излучения лазера на СО, лежит в области 10,6 мкм, а лазера па СΠ— в области 5 — б,ч мкм. Распространению этих лазеров способствовал также тот факт, что области нх длин волн генерации слабо поглощаются атмосферой.
Основной отличительной особенностью молекулярных лазеров, по сравнению с атомарнымн н ионнымн, является использование колебательно-вращательных переходов молекул, Энергетические уровни, соответствующие этим переходам, в отличие от электронных переходов расположены значительно ниже по отношению к основному уровню и гораздо чаще, а кроме того, расстояния между отдельными колебательпымп уровнями эквидистаптны. Рассмотрим механизм действия лазера па СО,.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
