Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники (1990) (1151950), страница 40
Текст из файла (страница 40)
При быстрой прокачке практически невозможно работать по открытому циклу, как это имеет место при медленной прокачке, поскольку рабочая смесь с дефицитным гелием будет выбрасываться в атмосферу и загрязнять окружающу1о среду. Поэтому лазеры с быстрой прокачкой работают по замкнутому циклу (рис. 6.9). В схему прокачки включают теплообменннк и компрессор. В таком лазере удалось получить выходную мощность около 1 кВт с метра длины, В настоящее время созданы лазеры на СО, с мощностью излучения до 100 кВт, но наиболее целесообразны с экономической точки зрения лазеры с мощностью 1 — 10 кВт. Прн мощностях выше 10 кВт более высокие показатели имеют лазеры с комбинированной накачкой, а при мощностяхннже1 кВтцелесоооразно использовать лазеры с медленной прокачкой и свернутым резонатором. Лазеры на СОз используются в качестве источника когерептного излучения сравнительно небольшой мощности в системах точных измерений, передачи информации, тонкой технологии, в меюгцнне, в качестве источника мощного излучения в технологических установках для сварки, резки металлов, лазерного разделения изотопов, как источник оптической накачки лазеров далекого ИК диапазона и т.
д. 178 6.6. ЭЛЕКТРОИОНИЗАЦИОННЫЕ ЛАЗЕРЫ Большой интерес к газовым лазерам определяется их высокой однородностью, возможностью достижения большой концентрации активных частиц и высокого КП,«1. Кроме того, при высоких дав' лениях возможны осуществление плавной перестройки частоты генерации ультракоротких импульсов, достижение высокой мощности и когерентностн излучения. Релназация проблемы создания мощных лазеров с повышенным давлением имеет ряд трудностей, одна из которых заключается ' в невозможности использования для возбуждения больших объе' мов газа самоподдерживающегося электрического разряда из-за ' возникновения неустойчивостей, прнводящих к шнурованию раз' ряда.
В 1970 г. для преодоления этой проблемы и ряда других, ' связанных с особенностями создания инверсии в газовой среде, ., было предложено получать свободные электроны с помощью внешнего источника ионизация. Этн лазеры были названы электронанизацианными. Рассмотрим особенности электраионизацианнога метода возбу, ждения газовых лазеров на примере лазера на СО,, При движении электронов через молекулярный газ пад воз: действием электрического поля электроны испытывают столкновения с молекулами. При неупругих столкновениях электроны пере" дают свою энергию, накопленную между столкновениями, различнь«х степеней свободы молекулам.
Для лазера на СО, основной механизм создания инверсии связан с возбуждением молекул азота и сильно зависят от отношения напряженности электрического поля к давлению газа. Как наказали исследования 1рис. 6.10), для лазера на колебательно-вращательных переходах с накачкой электрическим током оптимальная область значении напряженности электрического поля находится значительно ниже поля зажигания самостоятельного разряда, которому соответствует область нонязации. Таким образом, в оптимальной схеме электро- разрядного молекулярного газовога лазера необходимо отказаться от самостоятельного электрического разряда и создавать проводимость газа независимым путем.
Например, посредством аблучечения проникающим излучением, В этом случае концентрация свободных электронов в активной среде не зависит от напряженности электрического поля и определяется только интенсивностью ноннзиру«ощего излучения. Этот метод накачки называется электроионизацнонным. Отказ ат самостоятельного разряда приводит к тому, что процесс протекания электрического тока через нанизацнанный газ становится устойчивым и отпадают ограничения иа давление рабочего газа и размер системы, существовавшие для самостоятельного разряда. Именно это обстоятельство является важнейшей особенностью электраианизационного метода введения энергии в активную среду лазера, принципиально отличающей электроМ79 Рис.
6.16. Распрекеление мотпиости накачки по степянки сиобоам иолеку» прн электрическом аоэбуидеиии ахата Рис. 6.11. Схема коэбуиаеиия электроиониэанноииото лаэера на СО: 1 . аеркала теаокеторе; 2 электроды ионизациоияый метод от других методов комбинированной накачки. Ка рнс. 6.1! приведена схема возбуждения электроионизацнонного лазера иа СОя. Газовая среда помещается между двумя металлическими электродамц, на которые подается напряжение электрического питания. Иапряжение выбирается в соответствии с оптимальным значением Е1р (отношение напряженности поля к давлению смеси).
Для возбуждения колебательно-вращательных переходов в молекулярных газах оптимальное значение параметра Е(р в 5 — 10 раз ниже пробивного. Под действием ионизирующего излучения создается проводимость газа, через газ течет ток, и в газе выделяется энергия. Эта энергия при оптимальном значении Е1р с КПД, близким к )00%, преобразуется в энергию колебаний молекул н затем в результате колебательно-поступательной релаксации может превратиться в тепло. При соответствующем подборе состава газа можно значительную долю колебательной энергии сконцентрировать на верхнем лазерном колебательном уровне и затем отвести в ниде когерентного излучения. Формирование электронных пучков, вводимых в рабочий объем активной среды, осуществляется либо электронной пушкой, либо за счет тлеющего разряда, Электронный пучок, формируемый электронными пушками, вводится в область разряда через тонкую алюминиевую фольгу, отделяющую вакуумную камеру от области разряда и обеспечивающую ток инжскцни, достаточный для образования необходимой концентрации электронов.
Одновременно с импульсом тока инжекции создается электр11ческое поле, возбуждающее активную среду. Для формирования мощного электронного пучка могут использоваться холодные катоды„Такая конструкция существенно проще — не требуется вакуумной камеры для формирования электронного пучка. Результаты исследования механизмов создания инверсии позволяют сделать вывод, что повышение давления рабочей смеси 186 лазеров на СО, до десятков атмосфер не приводит к качественным изменениям процессов возбуждения и релаксации лазерных уровней.
Выходная энергия и КПД электроионизационного лазера на СО, прн заданном составе рабочей смеси определяются в основном энергией накачки. Для получения генерации при повышенных и высоких давлениях используется импульсный режим работы, что позволяет устранить теплоотвод и сравнительно проще реализовать большой энерговклад в активную среду, Электрононизационный метод накачки является наиболее эффективным для возбуждения газовых лазеров высокого давления, генерация в которых происходит на колебательно-вращательных переходах молекул. Причиной этого является, во-первых, тот факт, что при такой накачке используется слабое электрическое поле, в котором энергия электрического тока расходуется только на возбуждение колебаний, а потери на возбуждение электронных уровней и ионизацию газа практически равны нулю, Во-вторых, электроионнзационный метод характеризуется чрезвычайно высокой эффективностью использования свободных электронов.
Каждый электрон, созданный в газе внешней ионизацяей, испытывает до 10' столкновений с молекулами рабочего газа, прежде чем рекомбинирует. Использование электрояоиизационного принципа возбуждения плотных газов позволило; реализовать условия для возбуждения значительных объемов газов при больших давлениях, исчисляемых десятками и даже сотнями кубических метров; получить энерго- съем 50 Дж л ' атм ' прн КПД 25 — ЗОЛА; показать возможность 'работы лазеров при высоких давлениях — до 100 атмосфер. 6.7.
ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ЛАЗЕРЫ Газодинамические лазеры — это лазеры, в которых источником излучения служит тепловая энергия молекулярного газа, нагретого до высокой температуры. Усиливающая среда в этом типе лазеров образуется за счет процессов тепловой релаксации молекул во время истечения газа через сверхзвуковое сопле.
Движение усиливающей среды через оптический резонатор происходит со сверхзвуковой скоростью. В лазерах этого типа впервые реализован ярннцпп прямого преобразования тепловой зпергин в энергию когерентного излучения. Тепловая энергия равно расяределена по всем степеням свободы молекул, в том числе н по . колебательньпя степеням свободы. Существенным моментом для создания инверсии является тот факт, что различные колебательные моды многоатомных молекул могут релаксировать с различной скоростью. Газодинамнческий метод создания инверсии получил основное развитие применительно к лазерам на СО,.
Газовая среда газодинамических лазеров представляет собой трехкомпонентную газо- 18! вую смесь, наибольшую концентрацию в которой составляет азот. (80 — 90%), имеющий большое время колебательной релаксации. Благодаря свойству его молекул длительное время сохранять колебательное возбуждение потери колебательно-возбужденных молекул за время движения газа от камеры сгорания до оптического резонатора незначительны.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
