OKG (732015), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

Следующей по интенсивности после линий 488 и 514,5 нм яв­ляется линия 496 либо 476 нм, на которую приходится около 6% полной выходной мощности. При небольших превышениях тока над пороговым значением генерация происходит на переходе ^Р^то---••^-^м. Линия усиления имеет доплеровское уширение, и полная ширина спектра генерации достигает 10 ГГц, превышая ширину спек­тра Не-Ne ОКГ в 4-5 раз. Последнее объясняется, во-первых, тем, что рабочие частицы в аргоновой плазме имеют значительно боль­шую скорость, чем атомы неона в смеси Не-Me, и, во-вторых, бо­лее высоким избыточным усилением (превышением усиления над по­терями в резонаторе). Для обеспечения генерации на отдельных переходах из системы рабочих уровней электронных конфигураций Зр 4р и 3p-4s необходимо использование селективных элементов в ОКГ (призм, дифракционных решеток).

Оптический квантовый генератор на углекислом газе

Относится к груп­пе газовых лазеров, в которых используются переходы между ко­лебательно-вращательными состояниями молекул. В настоящее вре­мя осуществлена генерация на кодебательно-врашательных перехо­дах многих молекул: СО , ti^O ,НуО , СО^ и т.д. Лучшие результа­ты получены с ОКГ на COq . Они являются самыми мощными из всех газоразрядных ОКГ, работающих в непрерывном режиме, и имеют высокий коэффициент полезного действия, достигающий 20 т 30%.

Р ассмотрим механизм создания инверсии населенностей в ОКГ на углекислом газе. Инверсия наоеленностей в таких ОКГ осуще­ствляется посредством газового разряда. Прежде чем рассматри­вать вопрос о механизме генерации, приведем некоторые данные о молекуле СО^ и ее уровнях. Молекула COn - линейная симметрич­ная молекула. Она имеет три нормальных типа колебаний: валент-ное полносимметричное (^ ), деформационное ( ^ ) и валентное антисимметричное (^д) (рис.89). Деформационные колебания яв­ляются дважды вырожденными, так как колебания с одной и той же частотой могут происходить в двух ортогональных плоскостях, проходящих через ось молекулы. Колебательное состояние молеку­лы описывается тремя квантовыми числами и, , Vn и ^з • каждое из которых представляет число возбужденных квантов колебаний ^г>! ' ^2. • "^З • Соответствующие уровни обозначаются комбинацией квантовых чисел (^ ,и^ , v^ ). Квантовое число t , записываемое. в виде индекса, обусловлено двукратным вырождением дефор­мационного -

колебания. Оно принимает значения ^"1^,0^-2,..., О для четных и, и I « Do, Uo-1,..., 1 Для нечетных и определяет значение момента количества движения Р^ = /г.^/(2Х), связанно­го с колебаниями в направленного вдоль оси молекулы. Уровни с Ь = 0 являются невырожденными, с Ь > 0 - дважды вырожденны­ми. При и, > I вследствие ангармоничности колебаний СО^ вы­рождение снимается. На рис.90 дана схема нижних колебательных уровней молекул СОп .

Для эффективного заселения верхнего рабочего уровня мо­лекул СО в в рабочую трубку ОКГ вводят азот..Так как Ng — двухатомная молекула, то она имеет только одну колебательную степень свободы. Ее колебательная энергия определяется кван­тами энергии, обусловленными колебаниями атомов вдоль оси мо­лекулы. Соответственно колебательные уровни энергии молекулы азота описываются одним колебательным квантовым числом v . На рис.90 приведена также система нижних колебательных уровней молекул No. Весьма примечательно то, что энергия первого воз­бужденного колебательного уровня молекулы Nn почти равна энер­гии уровня (00°1) молекулы СОр . Разница энергии состояний (00°1) молекулы СОр и ( о =1) молекулы Nn составляет всего 0,0023 эВ.

Генерация в ОКГ на СО^ осуществляется на переходах (DO⁰!)-—(П^О) и (00°I) — (02°0). Наиболее интенсивная генерация идет на переходе (00°1) — (ГС°0) с длиной волны около 10,6 мкм, которая подавляет почти полностью генерацию на длине волны 9,6 мкм (00°1) -.(02°0).

Возбуждение верхнего рабочего уровня (00°1) обусловлено несколькими процессами. Основной процесс возбуждения связан с неупругими соударениями молекул N^ с СО^ , что ведет к резо­нансной передаче колебательной энергии от молекул азота к мо­лекулам углекислого газа:

В газовом разряде электронные соударения приводят к эф­фективному образованию колебательно-возбужденных молекул Nn (v = I) (до 30% общего числа молекул Nn). Так как молекула азота состоит из двух одинаковых атомов, то ее дипольный мо­мент равен нулю, поэтому дипольное излучение отсутствует и разрушение возбужденных колебательных состояний происходит только в результате столкновений. Вследствие почти полного со­впадения уровней энергии первого колебательного уровня {и = I) молекул No и уровня (00 I) СОр соударения возбужденных моле­кул No с молекулами СОп , находящимися в основном состоянии, ведут к селективному заселению верхнего рабочего уровня (00 I) СО^ .

Существенную роль в заселении верхнего рабочего уровня играет резонансная передача колебательной энергии от молекул СО молекулам СОр . В газовом разряде благодаря диссоциации мо­лекул СОо образуется значительное количество молекул СО , ко­торые при соударениях с электронами интенсивно переводятся в колебательно-возбужденное состояние. Первый возбужденный ко­лебательный уровень молекулы СО почти совпадает с верхним ра­бочим уровнем (00 Г) молекул СОр. Благодаря этому происходит процесс резонансной передачи колебательной энергии от молекул СО (так же, как от молекул Nn ) молекулам СОр:

Этот процесс - один из основных в заселении верхнего рабочего уровня ОКГ на чистом СОр .

Верхний рабочий уровень (00°1) дополнительно заселяется благодаря процессу неупругого соударения молекул двуокиси уг­лерода и электронов:

со-(ооо) + ё — со (оо°<) + е . fc *•

Для работы ОКГ наряду с заселением верхнего уровня такое же важное значение имеет разрушение нижнего рабочего уровня. Релаксация нижнего лазерного уровня обусловлена столкновения­ми молекул СОо (10'0) с невозбухденными молекулами С0^( ООО):

С0^10°0) + СО^(ООО)-- CO^OI 'O+COg^O). (125)

Этот процесс идет с большой эффективностью, что связано с со­ответствием нижнему лазерному уровню (10°0) молекул СОр энер­гии почти вдвое большей, чем требуется для возбуждения коле­бательного уровня (01^0). В результате соударения молекул СОп (10°0) и СОп (000) приводят к перераспределению колебательной энергии между ними с возбуждением каждой на уровень (01 0). Переход молекул СОп из состояния (01 0) в основное состояние (000) обеспечивается столкновениями их с частицами посторон­него газа. При этом энергия деформационных колебаний молекулы С0о_ (01 0) превращается в энергию поступательного движения со-ударяющихся молекул.

Значительное уменьшение времени релаксации уровней (01-0) и (10 0) и увеличение тем самый инверсии населенностей,а зна­чит и мощности генерации вызывают гелий, водород, пары воды, которые вводят для этой цели в рабочую трубку ОКГ.

По устройству ОКГ на СОо не имеют принципиальных отли­чий от других газоразрядных генераторов. Однако они характе­ризуются конструктивными особенностями, обусловленными спек­тральным диапазоном и высокой мощностью излучения.

На рис.91 приведены схемы конструкций ОКГ на углекислом газе. В мощных СКГ длина разрядных трубок достигает несколь­ких метров, а диаметр - 70 -5-80 мм. Дальнейшему увеличению ди­аметра препятствует контрагирование столба газового разряда, которое наступает для смеси No-СОо при диаметрах, больших,чеп 40 мм, а на смесях Nn-CO-He при диаметрах, больших» чем 70* т80 мм. В ОКГ на СО^ используется принудительное водяное охла ждение трубок ( 1 на рис.91,а). 1%

Разряд осуществляют как на постоянном токе (см.рис.91, а), так и переменным напряжением промышленной частоты ( и на рис. 91.ff ). В длинных трубках для упрощения зажигания и поддержа­ния разряда создают секции длиной 80+100 см, разряд в каждой из которых поддерживается независимо от других секций. Обычно используют источники с напряжением примерно 20 кВ и током, до­стигающим десятков и сотен миллиампер.

Применяют как внутренние (3), так и внешние зеркала(^> Пло-скопараллельные пластины брюстеровских окон (.5) газоразрядных трубок делают из NuCL , KCL , Ge , SL , -прозрачных в области 9+11 мкм. Используют зеркала с металлическими или интерферен­ционными диэлектрическими отражающими покрытиями. Подложки зер­кал для ОКГ небольшой мощности (порядка I Вт) делаются из квар­ца. Наилучшим материалом при высоких уровнях мощности для под­ложек зеркал и для брюстеровских окон является иртрай, пред­ставляющий собой прессованный поликристалл ZnSe . Для вывода излучения из ОКГ в зеркалах с металлическими отражающими по­крытиями делается небольшое отверстие" - окно (диаметром несколь­ко миллиметров). Коэффициент пропускания выходных зеркал с ди­электрическими покрытиями имеет величину 10 т 30%.

Разрад в рабочей смеси газов сопровождается диссоциацией и изменением исходного состава газа. Поэтому очень часто, осо­бенно в мощных ОКГ, используется непрерывная прокачка газа (б) через разрядную трубку.

Рассмотрим основные характеристики ОКГ на COg . На рис.92 показана зависимость выходной мощности от силы тока разряда паи различных давленяях СОп для ОКГ с отпаянной трубкой длиной I м и диаметром 10 мм. Сначала мощ­ность возрастает вместе с то­ком, а затем падает. Такая за­висимость объясняется конку­ренцией двух факторов. Увели­чение концентрации электронов, о одной стороны, ведет к воз­растанию скорости возбуждения молекул СОп на уровень (00^1), а с другой,- повышает газовую температуру, что увеличивает ^ скорость разрушения антисимме-- тричных колебаний молекул.

Значительное увеличение мощности генерации дости­гается добавлением к СО^ азота.

Рис.93 иллюстрирует влияние введения азота в разрядную трубку на мощность и КПД ОКГ на СОп • При добавлении азота благодаря резонансной передаче колебательной энергии от молекул Nn анти­симметричному типу колебаний СОо инверсия населенностей. а сле­довательно, и мощность растут. Однако по мере введения N^ по­вышается температура газа, что приводит к увеличению скорости релаксации уровня (00°1), уменьшению его заселенности, а также росту населенности нижнего лазерного уровня (Ю°0). Поэтому ин­версия населенностей снижается и мощность падает.

Существенное влияние на энергетические характеристики ОКГ на COp-Nn оказывает введение в разрядную камеру гелия (рис.94)1 Гелий, обладая теплопроводностью, в несколько раз превышавшей теплопроводность СОв^ и Nn, снижает газовую температуру, что способствует увеличению инверсной населенности, а значит,и вы­ходной мощности. Кроме того, с введением в разряд гелия воз­

растает возбуждение ко­лебательных уровней мо­лекул СО- , Мд и СО . Однако при больших пар­циальных давлениях ге­лия в газовой смеси мощ­ность генерации падает, так как уменьшается на­селенность верхнего ла­зерного уровня (00°!) из-за релаксации анти­симметричных колебаний молекул СОр при столк­новениях COn-He . Мощ­ность генерации также повышается при введе­ния в разряд паров воды.

Оптимальный состав рабочей смеси газов в ОКГ на СОр зависит от размеров разрядной труб­ки, температуры ее сте­нок, скорости прокачки смеси и т.д. Обычно ис­пользуются смеси угле­

кислого газа, азота и гелия в соотношении 1:1+5:3*8 при общем давлении порядка I0³ Па. Удельная мощность генерации достигает I Вт на I см разряда газовой смеси. Типичный ОКГ на углекислом газе при длине разрядной трубки 200 см дает непрерывную мощ­ность около 150 Вт. Увеличение длины разрядной трубки ведет к примерно пропорциональному росту мощности. Таким путем удается создать ОКГ на углекислом газе с выходной мощностью больше I кВт. На уникальной установке с длиной разрядного канала ВО м была получена мощность генерации около 9 кВт.*

Характеристики

Список файлов реферата