Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ (2-е издание, 1979) (1152182), страница 50
Текст из файла (страница 50)
Существенным недостатком атомарных и ионных лазеровявляется их низкий КПД. Эта особенность объясняется тем,что используются уровни, расположенные далеко отосновного уровня атомов и ионов. В возбуждении этихуровней участвует небольшая часть имеющихся в разрядеэлектронов. Верхние уровни могут возбуждаться лишьбыстрыми электронами, и их доля невелика. При разностиэнергий между основным и верхним уровнями порядка 20эВ КПД оказывается около 5%.В молекуле, состоящей из нескольких атомов, внутренняяэнергия определяется не только энергией электроноватомов, но и энергией колебательного движения атомов,которая квантуется и характеризуется своими уровнями. Вмолекулярныхлазерахиспользуютэнергетическиеколебательныеуровни,расположенные не слишком высоко над основным. Это облегчает генерацию колебаний,позволяет получить меньшую их частоту и перейти в ИК-диапазон.На рис. 15.17 показана упрощенная структура колебательных уровней, а такжеэнергетический колебательный уровень 6 молекулы азота, который обычно добавляется вСО2 для значительного увеличения мощности.
Лазерными переходами в смеси СО2 и N2являются переходы 5—4 в СО2 с длиной волны 10,6 мкм или 5—3 (λ = 9,6 мкм).Расстояние между верхним лазерным уровнем 5 и основным 1 равно 0,35 эВ.Процесс создания инверсии населенности в молекулярном лазере на СО2 происходит,следующим образом.
В разряде при неупругих соударениях с электронами возбуждаютсямолекулы СО2 и N2. Неупругие удары электронов вызывают возбуждение колебательныхуровней молекулы СО2 и азота. Кроме того, имеются неупругие соударения молекул N2 иСО2, приводящие к возбуждению верхнего уровня 5. Эффективность возбуждения этогоуровня велика, так как он расположен близко к уровню 6 N2. Уровни 6 и 5 имеют большоевремя жизни. Уровень 4 СО2 имеет малое время жизни, так как населенность этого уровнябыстро уменьшается из-за безызлучательной передачи энергии вращательному движению(вращательным состоянием). Этот процесс называют вращательной релаксацией. Временажизни более низких уровней 3 и 2 также малы, но вследствие колебательной релаксации.Таким образом, выполняются условия для получения инверсной населенности уровней 5 и4.Особенностью лазера на СО2 является необходимость постоянного движения газа черезгазоразрядную трубку, так как число молекул СО2 постоянно уменьшается в результатедиссоциации на кислород и окись углерода: 2СO2→2СО + О2.
Если не восполнять убыльСО2, мощность лазера через некоторое время заметно уменьшится.Так же как и в других газовых лазерах, зависимость мощности от тока разряда имеетмаксимум. В молекулярном лазере используется тлеющий разряд в трубках большойдлины (1—5 м). Напряжение на разрядном промежутке достигает 10 кВ, а оптимальныйток разряда составляет десятки и сотни миллиампер. Из-за особенностей процессаполучения инверсии населенностей в СО2 наблюдается, в отличие от гелий-неоновоголазера, слабая зависимость выходной мощности от диаметра газоразрядной трубки.220Диаметр трубок может быть увеличен до 10 см, что приводит к увеличению общего числачастиц в объеме и росту мощности.
Однако дальнейшее увеличение диаметра не имеетпрактического смысла, так как известно, что сечение разряда перестает увеличиваться.Большое сечение разряда и значительная длина трубок позволяют получать оченьбольшие мощности. В отдельных лазерах эта мощность в непрерывном режимепревышает 1 кВт при очень высоком по сравнению с другими газовыми лазерами КПД(5—15%). Достоинство лазера на СО2 состоит еще и в том, что его излучение (λ= 10,6мкм) слабо поглощается в атмосфере.Конструкции лазеров на СО2 и гелий-неоновой смеси имеют много общего.
Однакоочень серьезные требования предъявляют к конструкции окон и зеркал, в которых можетпроисходить значительное поглощение энергии в ИК-диапазоне. Усложняет конструкциюи эксплуатацию молекулярных лазеров необходимость постоянной прокачки углекислогогаза через трубку.Наибольшая мощность излучения получена в лазере с прокачкой газовой смеси вдольоптической оси резонатора. Достигнута максимальная мощность 8,8 кВт в непрерывномрежиме работы при длине трубки 1,85 м, при этом КПД составлял 15—20%. Наряду сувеличением мощности излучения путем использования длинных трубок разрабатываютсялазеры с поперечной прокачкой газа. При этом обеспечивается более быстрая замена газаво всем объеме трубки и, следовательно, лучший теплообмен, что позволяет получитьмощность до 1 кВт в непрерывном режиме работы уже при длине трубки около 1 м.Давление компонентов газовой смеси в лазерах на СО2 100— 1300 Па.
В последниегоды созданы лазеры на смеси (CO2 + N2 + He), находящейся при атмосферном давлении.Импульсный режим работы устраняет трудности теплоотвода, так как не нужна большаяскорость прокачки газа. В этих лазерах используется поперечная прокачка газа. При длинетрубки 3 м и длительности импульса 90 нс достигнута максимальная импульснаямощность излучения около 100 МВт (энергия импульса 9 Дж). Рабочее напряжение вимпульсных лазерах составляет 20—60 кВ.Перспективным является импульсный лазер на молекулярном азоте, создающийультрафиолетовое излучение (λ = 0,3371 мкм).Длительность импульса обычно не превышает 100 нс.
Импульсная мощность азотныхлазеров достигает 100 кВт при частоте следования импульсов 100 кГц и 500 кВт причастоте 25 Гц. Сверхзвуковая прокачка азота через канал шириной 3 мм позволилаполучить импульсную мощность до 1 МВт при частоте следования 1 кГц. Привозбуждении бегущей волной тока была получена импульсная мощность до 2,5 МВт придлительности импульса 4 нс.К молекулярным лазерам относится также электроионизационный лазер. Этот лазер свысоким давлением газа, в котором проводимость плазмы появляется в результатеионизирующего действия электронного потока, а возбуждение среды происходит вразряде, обеспечиваемом отдельным источником питания.
В этом случае понижаетсявеличина рабочего напряжения источника. Электронный поток создается либо внешнимиэлектронными пушками, либо в результате тлеющего разряда. Например, в одном излазеров этого типа электронный ток 40 А при энергии электронов 130 кэВ создавали 42электронных пушки, при этом была получена энергия импульса 2 кДж при длительностиимпульса 20 мкс и КПД примерно 25%.В 1966 г. советскими учеными В.
К. Конюховым и А. М. Прохоровым была предложенаидея газодинамического лазера — молекулярного лазера, в котором инверсиянаселенностей уровней возникает при быстром (сверхзвуковом) расширении газа.221Рассмотрим принцип работы газодинамического лазера на смеси газов СО2, N2 и H2О(рис. 15.18). Углекислый газ получается при сжигании топлива в камере сгорания.
Здесьже углекислый газ смешивается сазотом и водяным паром вопределенной пропорции, образуявысокотемпературнуюплазму(1400 К). Газовая смесь поддавлением 1700 Па проходит сосверхзвуковой скоростью черезсопло и за ним расширяется.Расширение газа сопровождаетсяего охлаждением. Вследствиеотносительного большого временижизни верхнего уровня молекулы СO2 и малого времени прохождения газа через соплонаселенность возбужденного при нагреве газа верхнего уровня сохраняется на путимолекул около 1 м от сопла.
Населенность нижнего уровня со значительно меньшимвременем жизни, чем у верхнего, оказывается много меньше населенности верхнегоуровня уже на расстоянии нескольких сантиметров от сопла. Таким образом, на длинеоколо 1 м будет существовать инверсия населенностей уровней. В этой областинеобходимо установить зеркала резонатора, так чтобы его ось была перпендикулярнапотоку газа. Мощность излучения в газодинамическом лазере определяется расходомвещества и энергией, запасенной в молекулах СО2 и N2 при нагревании газа. Внепрерывном режиме работы получена мощность до 60 кВт при расходе вещества 13,6 кг,угол расходимости излучения составлял 0,1 мрад. Появилось сообщение о разработкелазера с мощностью 600 кВт при КПД 0,5—1%.Молекулярный лазер, в котором активная среда возникает в результатефотодиссоциации молекул (распада молекул под действием света), называютфотодиссоциативным лазером.
При достаточно высокой энергии фотонов внешнегоизлучения молекула распадается на атомы, при этом один из атомов распавшейсямолекулы может оказаться в возбужденном состоянии,пригодном для получения инверсии населенностей. Уровеньвозбужденного атома используется как верхний уровеньлазерного перехода.Для примера рассмотрим лазер с фотодиссоциацией молекулбромида таллия TIBr. Фотодиссоциация производитсясветовым излучением ртутного разряда с длиной волныλ=0,185 мкм, энергетические уровни которого показаны влевой части рис. 15.19. Под действием этого излученияпроисходит диссоциация молекулы, находящейся в основномсостоянии. На рис. 15.19 показан основной уровень 1 молекулыTIBr, основной уровень 2 и два возбужденных уровня 3 и 4Рис.
15.19атома таллия. Оказывается, что уровень 3, оптические переходыкоторого запрещены, опустошается только за счетударной релаксации. Таким образом, поддерживаетсямалое время жизни нижнего лазерного уровня 3.Верхний лазерный уровень таллия 4 интенсивнозаселяется вследствие фотодиссоциации молекул.Поэтому в переходе 4—3 появляется инверсиянаселенностей, и при ее достаточной величиненаступает генерирование колебаний с длиной волны222λ=0,535 мкм (зеленая линия).Схема фотодиссоциативного лазера показана на рис. 15.20.
Отличительная особенностьсостоит в расположении трубок с парами бромида таллия внутри ртутной газоразряднойлампы. Бромид таллия находится в специальном отростке. Вся установка помещена втермостат с температурой 660°С, которая необходима для получения паров бромидаталлия. Зеркала резонатора находятся вне термостата.223§ 15.6. Твердотельные лазерыОбщая характеристика твердотельных лазеров. Твердотельными называют лазеры, вкоторых активной средой являются кристаллические или аморфные диэлектрики. Длясоздания инверсии населенностей используют энергетические уровни атомов и ионов,входящих в состав твердых тел. Концентрация частиц в твердых веществах на несколькопорядков больше, чем в газовых лазерах. Поэтому можно получить большую населенностьуровней, а следовательно, и большую мощность излучения на единицу объема, чем в газовыхлазерах, или ту же мощность при малой длине активной среды.
Однако длина активныхэлементовтвердотельныхлазеровограничиваетсяимеющимисяоптическиминеоднородностями вещества, приводящими к рассеиванию излучения и понижениюдобротности резонаторов. Обычно длина активных элементов составляет от нескольких до50 см. Небольшая длина вызывает увеличение угловой расходимости излучения (донескольких десятков угловых минут).В твердых телах сильное взаимодействие частиц приводит к существенному увеличениюширины энергетических уровней.
Поэтому в твердотельных лазерах используютоптическую накачку для создания инверсии населенностей.Активная среда (стержни с полированными параллельными торцами) помещается междузеркалами резонатора. Зеркалами могут быть торцовые поверхности, если на них нанестиотражающие покрытия. Особый интерес представляет резонатор, образованный плоским исферическим зеркалами.
Такой резонатор имеет низкие дифракционные потери, а егособственные частоты слабо зависят от нестабильности размеров.Активный элемент твердотельных лазеров состоит из двух компонентов — основноговещества (матрицы) и активатора (примеси), энергетические уровни которого образуютлазерный переход. Матрицей являются кристаллические вещества:корунд А12О3, иттриевые гранаты, щелочноземельные соливольфрамовой (H2WO4), молибденовой (Н2МоО4) и плавиковой (HF)кислот. Применяются также аморфные вещества — стекласпециального состава, в которых можно получить лучшуюоптическую однородность. Последнее позволяет увеличить размерыактивного вещества и мощность излучения. В качестве активатораиспользуют редкоземельные элементы: неодим, диспрозий и др., атакже хром и уран.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
