Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники (1990) (1151950), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Молекула СОе линейно-симметрична по конфигурации и имеет трн тина разрешенных колебаний: симметричные, деформациопные и асимметричные (рис. 6.7). Колебательные состояния молекулы СО, обозначаются набором трех колебательных квантовых чисел: о„и!, р,. Эти числа равны кратности возбуждения соответственно симметричных, деформациониых н асимметричных колебаний молекулы, а 1 указывает иа поляризацию деформационпого колебания.
Например, колебательное состояние (00'1) (рт = О, рв = О, оа = 1) соответствует состоянию однократно возбужденного асимметричного колебания (симметричные и деформационные колебания не возбуждены). Каждый нз колебательных уровней молекулы состоит, в свою очередь, из совокупности близко располс- 174 женных вращательных подуровней, соответствующих вращению .ядер молекулы н характеризуемых изменением углового момента.
' В соответствии со сложной структурой уровней спектр излучения молекул весьма сложен и состоит из отдельных колебательно- ' вращательных полос, разделенных интервалами, соответствующими переходам электронов. Если учесть это, то ясно, что излучение происходит за счет переходов между вращательными уровнями верхнего колебательного состояния я низко расположенного колабательного состояния. Какой-либо переход между колебательными уровнями при отсутствии вращения должен был бы давать только одну частоту м, (рис.
6.8). Но на самом деле такой переход состоит из двух наборов линий. Набор, соответ, ствующий более низким частотам, называется 1з-ветвью. Другой набор, соответствующий более высоким частотам, называется Й-ветвью. Инверсия населенности может быть получена как в чистом СО„так и в смеси газов, Накачка верхнего лазерного уровня 00'1 в чистом СО, происходит при соударении молекулы в основном состоянии 00"0 с электроном, т. е.
прямым электронным ударом. Электроны в разряде возбуждают и более высоко расположенные уровни — 00"2, 00'3 и т. д. В результате неупругих соударений молекул в этих состояниях с невозбужденными молекулами происходит понижение энергик возбужденных молекул с соответствующим переходом молекул в состоянии 00'О на верхний колебательный уровень. Для увеличения инверсии и эффективности преобразования энергии электронов в энергию лазера к углекислому газу добавляют азот и гелий. Колебательпые уровни азота почти совпадают с колебательными уровнями СО, асимметричного типа коле' баний, поэтому молекулы азота на верхних колебательных уровнях передают сваю энергию молекуле СО, практически без потерь.
. Колебательные уровни дипольной молекулы азота являются метастабнльными. Время жизни этих уровней достигает нескольких секунд. Разряд в азоте приводит к возбуждению почти 30% всех молекул в разряде. Эффективность использования электронов в разряде смеси С0,— Ы, чрезвычайно высока и достигает 70— 80%. КПД такого лазера ограничивается практически только квантовой эффективностью лазерного перехода, которая для ' уровня ООЧ достигает 45%. Генерация лазера осуществляется либо на переходе ОУ1- 10'О, либо на переходе 00'1 — э.
02'О. Но так как первый из этих переходов обладает большим усилением и оба перехода имеют один и тот же верхний уровень, то генерация обычно происходит иа переходе 00"1 — 10'0 (Х = 10,6 мкм). Для получения генерации на линии 9,6 мкм или на другой вращательной линии внутрь резонатора помещают частотный селектор, чтобы подавить генерацию на линии о наибольшим усилением, Релаксация нижних лазерных уровней происходит через резонансное соударение молекул СО, в состоянии 10'0 с невозбужденными молекулами в состоянии 00'О с образованием двух молекул в состояниях 01гО.
Из этого состояния молекулы переходят вниз. Существегшую роль в процессах возбуждения и релаксации играет гелий, Гелий, как газ с высоким потенциалом ионизации повышает электронную температуру, а с другой стороны, способствует распаду нижних уровней 10'0 и О!'0 в результате иеупругих соударений. Релаксации ннгкннх уровней способствуют также соударения с парами воды и другими молекулами, как добавля.
емыми специально в лазеры на СО„, так и образующггмися в разряде. Из-за малого расстояния между основным (00"О) и нижним (01'О) лазерными уровнями рабочуго смесь в молекулярных лазерах необходимо охлаждать. Предельная температура рабочего газа не должна превышать 700 — 800 К, а следовательно, отводимая и вводимая в разряд мощности оказывангтся строго ограничегшыми условиями теплоотвода. А это, в свою очередь, приводит к ограничению мощности излучения, снимаемой с единицы разрядной трубки. Охлаждение смеси происходит в основном из-за дифФузии возбужденных молекул в направлении к стенкам трубки; следовательно, существенное увеличение диаметра активной среды для молекулярного лазера неприемлемо из-за перегрева рабочей смеси.
В лазерах на СОз могут использоваться активные среды диаметром до 10 см и длиной до 100 и, Газовый разряд в молекулярных лазерах йодчиняется в основном правилам подобия. Оптимальные условия определены лишь для отпаяиных активных элементов, в которых используется обычный тлыощнгй разряд. Оптимальное произведение составляет 530 ПА.см (р — парциальное давление СОз). Максимальная удельная мощность в отпаянных лазерах и лазерах с медленной прокзчкой, которуго можно получить с едингщы объема, равна Ртд ~ оуйги (Лгг(з)~ где пт — тепловая скорость; Агм — концентрация молекул; Л— длина свободного пробега; г( — диаметр трубки.
Соответственно мощность на едиигшу длины Р (1) определяется выражением Р(1) =Сйг,Л и не зависит от диаметра (С вЂ” константа). А так как УиЛ вЂ” сопз1, то вели ица Р (1) ие зависит я ог давления н имеет практически постоянное значение (примерно 50 Вт/и). Другой особенностью молекулярных лазеров является наличие сравнительно узких линий: ширина доплеровского контура около 100 МГц, т. е. на одип-два порядка ниже ширины линий в гелий-неоновых и ионных аргоновых лазерах, что объясняется сравнительно низкой частотой инфракрасных переходов и темпе- 176 ратурой рабочей смеси, Это создает условия для работы молекулярных лазеров в одночастотном режиме с высоким уровнем мощности прн однородном характере насыщения усиления.
Наличие вращательной структуры у колебательных уровней приводит к возможности получения перестранваемой генерации примерно иа 100 отдельных спектральных линий, расположенных относительно друг друга на расстоянии от 1,0 до 10 нм. В газовом разряде происходят также химические процессы, приводящие к изменению состава рабочей смеси. Они в основном заключаются в разложении углекислого газа на угарный газ 1СО) и кислород 10), В конечно»«иго~с в отпаяппь«х газоразрядных трубках это может привести к исчезновению генерации.
Для получения непрерывпой генерации в газовую смесь добавляют небольшое количество паров воды, что приводит к регенерации молекул СО,, вероятно, в соответствии со следующей реакцией: СО + ОН - СО, + Н. Конструктивно лазеры на СО«можно разделить па три типа: с отпаянной трубкой; с медленной прокачкой (скорость газового потока порядка 1 м/с); с быстрой прокачкой (скорость потока около 30 м/с). Отпаяпные разрядные трубки лазеров на СО, являются наиболее распространенными благодаря сравнительно небольшим габаритным размерам, отсутствию системы прокачки и простоте обслуживания. В качестве оптических элементов обычно используются германий и арсенид галлия.
Долговечность отпаяпных трубок определяется в осповнои скоростью разчожсния углекисЛого газа. В отпаянных трубках с метра длины получают 20 — 30 Вт/м; прокачка рабочей смеси дает возможность повысить удельную линейную мощность в два-три раза (до 50 — 70 Вт/м) и получить практически неограниченный срок службы.
Лазеры с медленной прокачкой нашли применение в технологических установках, где стоимость баллонов с запасами рабочих газов и насоса по отношению к стоимости всей установки сравнительно невелика. Для сокращения длины излучателя в прокачных лазерах широко применяют «свернутый» резонатор в сочетании с многомодульной конструкцией. Мощность их излучения доходит до нескольких сотен ватт. Предельная линейная мощность прокачных лазеров ограничена главным образом перегревом рабочей смеси при попытках подвести к разряду повышенную электричсскую мощность.
Эти ограничения связаны с использованием в качестве основного механизма охлаждения активной среды молекулярной теплопроводности. Быстрое прохождение рабочей смеси через активный объем, ограниченный резонатором, позволяет отводить тепло вместе с газом и существенно поднять удельную мощность как на едилгцу длины, так и на единицу объема.
При этом характерное время охлаждения активной среды, равное времени ее пролета через 1тт разрядный объем, может быть на не. сколько порядков меньше, чем время ее охлаждения за счет молекулярной теплопроводностн, что позволяет увеличить удельную мощность, вкладываемую в разряд, при сохранении температуры газа на требуемом уровне. Удельная энергия, вкладываемая в единицу объема активной среды, пропорциональна ее плотности. Соответственно и удельная ныходная энергия рпе. В.р. Схеиктпчеепоа Лазерного излучения примерно По такокзоарапеппе лптепа па Со„му же закону зависит ат параметров с быстров поперечной пракач- активной среды и возбуждения, если считать, что КПД преобразования энер- З вЂ” еентялятор (конореееорп 3 — область разряда, Е .
тен. ГНИ, ВКЛаДЫВНЕМОй В ЭНЕРГИЮ Лааср" лообкеннкк НОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, Оетастел НЕИЗМЕННЫМ. Удельная выходная энергия тем самым определяется только условием осуществления однородного разряда. Так, при КПД преобразования вкладываемой энергии в энергию лазерного излучения около 20ае получаем, что атмосферному давлению соответствует удельная энергия излучеиня около 0,1 Джзсмз. При времени прокачки приблизительно 10 " с зто дает 10' Вт/см, что на несколько порядков превышает максимальную удельную мощность электроразрядного лазера на СО, охлаждаемого за счет молекулярной теплопроводности. В лазерах с быстрой прокачкой поток газа направляют поперек оси резонатора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
