Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники (1990) (1151950), страница 45
Текст из файла (страница 45)
Впоследствии были разработаны валнаводные лазеры с поперечной па атношевию к оптической оси накачкой импульсным электрическим разрядом, ' . н этот тип канструкпии вскоре стал основным при разработке вол- 11 иовадных лазеРов на СОл высокого дезлеииз с большим Удельным энергосъемам.
Переход к поперечному возбуждению позволил 197 Лазар ракарко на СО, уменьшить напряжение питаняя, создать более компактные устройства и добиться высокой стабильности их работы. Для достижения высокой средней мощности излучения в волноводных лазерах на СО, осуществляется прокачка газа через разрядный промежуток. Для обеспечения устойчивого объемного разино. 6.2з. сдана аазаэа дааьнаго ряда при поперечном возбу- ИК-днаназона ждении необходимо исполь- зовать продольную прокачку. Типичная конструкция (рис.
6.22) волноводного лазера на СО, включает волновод из материала, обладающего высокой теплопроводностью, низким коэффициентом температурного расширения, высоким коэффициентом отражения и технологичностью обработки (высококачественное полнровзние). В качестве материалов используются окись бериллня (ВеО), окись алюминия (А1,0з), кварц, стекло, нитрид бора (ВХ). Мощность излучения зависйт от чистоты внутренней поверхности волновода, его шероховатости и степени прямолинейности.
Волноводы имеют круглое илн пря моугольное сечение, размеры последних составляют от 1Х1 до 2,5х 2,5 мм. Применение волновода прямоугольного сечения в основном вызвано технологическими трудностями полирования внутренней поверхности волноводного канала круглого сечения. Использование различных конструкций разрядного канала, схем н режимов возбуждения позволило создать волноводные лазеры ва С0„работающие в шпроиом диапазоне значений импульсных и и средних мощностей излучения. Продемонстрирована работа в импульсно-периодическом режиме с длительностью отдельного импульса излучения от десятков микросекунд до единиц наносекунд при частотах повторения импульсов до 10 кГц; получена средкяя мощность излучения в отпаянных лазерах до нескольких ватт пря КПД до 9з4 при погонной мощности излучения 40 Вт/м, а в лазерах с прокачкой гааз средняя мощность достигала 40 Вт и погонная мощность — 60 Вт(м.
Масса отпаянного волноводного лазера на СО, со средней ьющностью излучения 2 Вт составляет всего 125 г (длина прибора 20 см, наибольший поперечный размер 25 мм). Срок службы таких лазеров достигает 5000 ч, а срок хранения в рабочем состоянии — до 4 лет. Хотя основной объем исследовательских и опытно-конструкторских работ был выполнен в применении к активной среде на основе СО„большое внимание уделялось и возможности расширения спектрального диапазона, в котором работают волноводные лазеры, аа счет использования других активных сред.
Так, был 1вз разработан лазер далекого ИК-диапазона с оптической накачкой (рис. Б.23). В этом случае в качестве волноводов использовались уже металлические трубы с диаметром десятки миллиметров и длиной более метра. Накачка осуществлялась с помощью лазера на СОм Как уже отмечалось, такие лазеры наиболее перспективны для спектральных исследования. На основе лазера на СОх созданы лазерные локаторы и дальномеры, промышленные устайовки для прецизионной резки и сверления пластиков и картона, мнкропайки металлических деталей, приборы для измерения загрязненности атмосферы.
Кроме того, они используются для исследования кинетики возбуждения генерации электроразрядного лазера на СО, высокого давления. В настоящее время волноводные лазеры бурно развиваются: совершенствуются их конструкции, оптимизируются параметры, расширяется набор активных сред, увеличивается область применения. б,12. ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ С НЗЛУ~!ЕННЕМ В ЯЛИННОВОЛНОВОЙ Нк-ОБЛАСТИ Существующие генераторы когерентиого излучения работают в широкой спектральной области, начиная с вакуумного ультра- фиогета и кончая радиодиапазоном.
Генерация получена на не- скольких тысячах переходов различных веществ с длинами волн до 2000 мкм, Созданные генераторы излучения дальнего ИК-диапазона мо- гут использоваться для физических исследований газов (враща- тельных спектров молекул; спектров, соответствующих внутрен- нему вращению радикалов в сложных молекулах и т. д.), жидкостей, твердых тел (спектров полупроводников, полимерных комплексов и т, д.), плазмы (диагностики плазмы больших уста- новок для термоядерных процессов).
Успешно применяются такие генераторы и для моделирования устройств, работающих з СВЧ-диапазоне. Получены изображения йредметов при освещении их лучами дальнего ИК-диапазона. Мощные импульсные генераторы излучения среднего ИК-диа- пазона (Х = 2,5 —:50 мкм) успешно используются для многофо- тонной бесстолкновительной диссоциации некоторых химических соединений в газовой фазе.
В некоторых случаях малая ширина линии излучения генератора и хорошее совпадение частот излу- чения генератора и поглощения облучаемого вещества позволили осуществить селективную диссоциапию молекул, содержащих определенный изотоп одного из элементов. Мощность известных на сегодняшний день непрерывных лазе- ' ров в дальнем ИК- и субмиллнметровом диапазонах длин волн обычно не превышает нескольких мнлливатт, а импульсных ла- ,зеров — мегаватт при энергии излучения, меньшей 1 мДж. Для возбуждения генерации молекулярных длиннозолновых лазеров прибегают з основном к электрическому разряду и опти- 199 ческой накачке, но могут бы; а использованы и нелинейно-опта ческие процессы: выделение волиь.
2 с ревностной частотой при взаимо действии двух моиохроматически; м--~ . я электромагнитных волн различиов — частоты, посылаемых в обр азе1 (кристалл, кювету с газом) внеш ним источником; параметрнческо; Рнс. 8.24, Опта«ее«ад схема лазеРа преобразовекие частоты в нели. дального ИК-диапазона: нейной среде, снабженной резо эваа Рвала э о»аз»анана; а патером; вынужденное комбинз о«на-лвнэа; б — н»луаавва дал»в«»о Их-даава»ана б — у«»да»вэал» ауа.
цИОННОЕ раССЕяНИЕ (ВРМВ) ° НО во»; б — валу«анна «авва«в возможны и другие способы воз буждекия газовой средьп химиче ские, газодинамические, неравновесной конденсации„перенасы щенного пара, фотолиз газовой смеси. Рассмотрим более подробно газовые лазеры с оптической на качкой и электроразрядные, так как в настоящее время они нашл наибольшее применение. Оптически накачиваемые лазеры даль него ИК-диапазона обычно работают прн давлениях от 1 Па дг сотен паскалей, Увеличению рабочего давления (для достнженис большой мощности) препятствуют два обстоятельства. Во-первых. это столкновитедьная релаксация верхнего уровня кли, что то же самое, быстрое установление равновесного распределения нб селениости вращательных уровней.
Во-вторых, это самопогло щеиие генерируемого излучения вращательной структуры основ наго колебательного состояния, которая имеет больцмановское распределение населенностей. Схемы экспериментальных установок, в которых наблюдается генерация излучения при оптической накачке газа, весьма разнообразны. Устройство для генерации излучения дальнего ИК диапазона при оптической накачке обычно состоит нз метрово" камеры. Зеркала резонатора чаще всего вставлятотся внутрь камеры для устранения поглощения генерируемого иалучения в атмосфере. Связь резонатора с излучением накачки осуществляетгу через отверстие в одном из зеркал (рнс.
6.24). Через это же отпер стие генерируемое излучение, направленное рупором, выводктгх из резонатора. Существование одного отверстия связи для нзлу чения накачки и дальнего ИК-диапазона затрудняет оптимизацию связи. Но если для связи резонатора с генерируемым излучением используется зеркало, полностью отражающее излучение накачки и частично пропускающее излучение дальнего ИК-диапазона возможности оптимизация расширякпся. Связь резонатора с излучением накачки, как н прежде, осуществляется через малое отверсгие в ме.аллическом зеркале. При накачке газа излучением мощного импульсного ТЕ а лазера на СО„когда частота поглощающего перехода в газе досте 200 ,точно близка к частоте накачки„оказывается возможным режим так называемого сверхизлучения.
Для лазеров непрерывного действия с оптической накачкой известную трудность представляет недостаточная скорость расселения нижнего лазерного уровня. Так как дезактивация частиц, находящихся на нижнем лазерном уровне, происходят на стенках (в результате диффузии), то диаметр трубки, в которой заключена ' активная среда, должен быть малым. Следствием этого явилось использование «волноводиого» резонатора для излучения даль, него ИК-диапазона.
Такой лазер может работать при повышенных давлениях рабочего газа. Другим способом увеличения скорости расселения нижнего лазерного уровня является выбор подходящего буферного газа и его количества в смеси. Бурное развитие лазеров с оптической накачкой объясняется рядом их преимуществ по сравнению с злектроразрядными. В процессе оптической накачки молекулы возбуждаются лучом ИК-лазера на определенном вращательном уровне нижнего колебательного состояния.
Так как тепловая населенность верхнего колебательного состояния очень мала, легко возникает инверсная населенность. Создать инверсную населенность в многоатомной молекуле с помощью электрического разряда значительно труднее ' нз-за близости вращательных уровней (расстояния между ними .
обычно много меньше значения Й7'). Конечно, нужно иметь хоро' шее совпадение для линий накачки я поглощения данной молекулы. Однако имеется много ИК-лазеров и много линий поглощения для каждой молеиулы, поэтому вероятность резонанса весьма велика. В этом случае эффективность использования энергии значительно выше, чем прн злектроразрядном методе. К преимуществам оптической накачки следует отнести также отсутствие различных флуктуаций, вызванных разрядом, теплового дрейфа я молекулярной диссоциация, высокую стабильность источника накачки, большую компактность и некоторые другие. В настоящее время получена генерация в далеком ИК и субмиллиметровом диапазонах при оптическом возбуждении многих веществ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
