Накачка газовых активных сред

 

       11.1.1. Э лектрический разряд в газовой среде

Наиболее общий метод возбуждения в газовых лазерах – непрерывный или импульсный электрический разряд. Разряд поддерживается в газоразрядной трубке из кварцевого стекла или керамики, заполненной газовой активной средой. Инверсная населенность уровней и усиление в газовой среде возникают в электрическом разряде в процессах  соударений атомов, молекул и электронов и последующей релаксации возбужденных состояний.

В некоторых особых случаях для накачки газовых активных сред применяют химическое возбуждение, газодинамические процессы и накачку оптическим излучением или пучком электронов.

В газовых активных средах обычно реализуется наиболее эффективная четырехуровневая схема накачки. В такой схеме нижний лазерный уровень должен иметь малое время жизни по сравнению с верхним.

 Существуют газовые активные среды, для которых это условие не выполняется. Это лазеры на самоограниченных переходах, в которых нижний лазерный уровень - долгоживущий. В таких средах значительное усиление возникает лишь на короткое время после начала разряда. Поэтому их необходимо возбуждать коротким импульсным электрическим разрядом.

      Наиболее распространенный способ накачки – тлеющий разряд. Тлеющим разрядом называют самостоятельный разряд, в котором катод испускает электроны вследствие бомбардировки его положительными ионами и фотонами, образующимися в газе.

Схема устройства для исследования тлеющего разряда в воздухе показана на рис. 11.1.а. Из-за большого различия в массах электронов и положительных ионов потенциал электрического поля вдоль разрядной трубки с тлеющим разрядом изменяется неравномерно. Большое падение потенциала происходит вблизи катода. В основной части разряда – положительном столбе падение напряжения невелико.

При атмосферном давлении и приложенном к электродам постоянном напряжении в несколько киловольт тлеющий разряд в газоразрядной трубке не возникает.

 Однако, если давление газа в трубке длиной 30 … 50 см, уменьшить до 2…3 мм рт. ст., то тлеющий разряд возникает. Для зажигания непрерывного тлеющего разряда на электроды трубки, к которым приложено постоянное напряжение, подают высоковольтный поджигающий электрический импульс. Схематический вид газоразрядной трубки показан на рис. 11.1,б. На этом же рисунке приведено распределение электрического потенциала в разряде.

Внутри работающей газоразрядной трубки можно выделить несколько областей. Непосредственно вблизи катода существует темное пространство 1, где энергия электронов, исходящих из катода, недостаточна для возбуждения атомов и молекул газа. Тонкая светящаяся полоска 2 связана с возбуждением атомов и молекул газа без их ионизации. В области 3 начинается ионизация атомов и молекул. Свечение в области 4 называют тлеющим. Оно возникает из-за рекомбинации электронов с положительными ионами. В область 5 электроны, испускаемые катодом, уже не долетают, поэтому здесь существует так называемое фарадеево темное пространство. Перечисленные выше пять областей называют катодными частями разряда.

Область 6 представляет собой остов разряда – положительный столб разряда. Для положительного столба разряда характерна относительно высокая степень ионизации газа и, связанная с ней высокая проводимость. Эту область и используют в лазерах в качестве активной среды. Плотность тока в тлеющем разряде составляет ~ 10^-3 … 10^-1 А/см². Концентрация активных частиц равна 10⁹ … 10¹¹. Степень ионизации газа, составляет менее сотых долей процента.

Получение инверсной населенности между энергетическими уровнями газа, состоящего из атомов или молекул одного сорта, в газовом разряде обычно трудно достижимо. Для получения усиления в газовой среде, как правило, используют смеси различных газов. В разряде возбуждаются частицы специально подобранного буферного газа, которые передают энергию возбуждения генерирующим активным частицам. Для эффективной резонансной передачи энергии спектральные контуры возбужденного состояния донорного газа и активных частиц должны перекрываться. Роль буферного газа заключается также в снижении концентрационного тушения люминесценции лазерного перехода.

Буферный газ понижает температуру газовой смеси и уменьшает постоянную времени нижнего лазерного уровня. Естественно, при создании лазера соотношение газов в смеси, длину и диаметр газоразрядной трубки оптимизируют для получения максимальной мощности и эффективности генерации.

 

Рис. 11.1. Схема газоразрядной трубки. Распределение электрического напряжения вдоль трубки в случае тлеющего разряда.

 

Стационарный тлеющий разряд можно возбуждать также переменным током с частотой 10 … 50 Мгц. В этом случае электроды находятся вне газоразрядной трубки, а поджигать разряд высоковольтным импульсом не требуется.

По типу активных частиц газоразрядные лазеры разделяют на три класса: лазеры на нейтральных атомах, на ионах и молекулярные лазеры.

Возбуждение ионных лазеров осуществляют в дуговым разряде. Дуговой разряд происходит при плотностях тока в сотни А/см² и при относительно низких рабочих напряжениях 10… 100 В. Степень ионизации газа в дуговом разряде сравнительно высокая – более процента.

Для получения лазерной генерации на переходах нейтральных атомов широко применяют импульсный электрический разряд. В результате лавинной ионизации в импульсном разряде плотность тока может достигать тысяч А/см². По окончании импульсного разряда происходят рекомбинационные процессы, происходящие с участием долгоживущих ионов и возбужденных атомов, и термолизация электронов. Эти процессы приводят к импульсной генерации в условиях высокого коэффициента усиления, которая однако быстро прекращается из за насыщения усиления вследствие заполнения нижнего лазерного уровня в процессе генерации. Импульсный разряд с крутым передним фронтом применяют для возбуждения лазеров на самоограниченных переходах. Для получения усиления длительность фронта разряда должна быть соизмерима с излучательным временем жизни верхнего лазерного уровня, которое обычно находиться в наносекундном временном диапазоне.

Существенный недостаток почти всех газовых лазеров – сравнительно низкая эффективность возбуждения, составляющая единицы или доли процента от вложенной электрической энергии. Исключение составляют лазеры на двуокиси углерода, кпд которых достигает 20%. Сравнительно высокая эффективность этих лазеров обусловлена тем, что инверсная населенность создается между колебательными уровнями молекул СО₂, находящихся в основном состоянии, и возбуждать более высоко лежащие уровни не требуется.

 

Химическая накачка

Инверсная населенность может быть создана за счет неравновесного распределения среди продуктов химической реакции, происходящей в газовой среде непосредственно в объеме лазерного резонатора. Прибор, работающий по такому принципу, называли химическим лазером.

Энергия, высвобождающаяся при экзотермической реакции через перестраиваемую в ходе реакции химическую связь, локализуется в виде колебательной энергии молекул. В газовой фазе релаксация верхних возбужденных колебательных состояний может происходить медленнее, чем нижних. Это и приводит к возникновению инверсной населенности. Такая ситуация возникает в реакции:

F + H₂ ® HF* + H.

 

В этой реакции 70% выделившейся энергии преобразуется в колебательную энергию, при этом относительные населенности трех нижних колебательных состояний составляют 0,31, 1,0, 0,48. Длина волны генерации – 2,7 мкм. Аналогичная ситуация возникает во всех реакциях образования галогенводородов: F + D₂ (l = 4,3 мкм) H₂ + Cl₂, (l = 3,7 мкм) H₂ + Br₂ (l = 4,2 мкм) и т.д.

 Колебательная инверсия, возникающая в акте перестройки внутримолекулярной связи, может существовать только в течение некоторого определенного времени. Установление термодинамического равновесия в системе, возникающего в результате обмена энергией при столкновениях приводит к постепенному исчезновению инверсии. При колебательно-поступательной релаксации, для установления равновесия требуется много сотен или тысяч газокинетических столкновений.

 После достижения инверсии все свойства химических лазеров совпадают со свойствами газоразрядных молекулярных лазеров.

Интересно, что энергия кванта DF – лазера совпадает с энергией колебания 00⁰1 молекулы СО₂. Поэтому химически возбужденный DF может использоваться для создания химического СО₂ – лазера путем резонансной передачи энергии.

Рис. 11. Схема химического DF – CO₂ лазера непрерывного действия.

 

       В основе работы лазера, показанного на рис. 11 положена реакция дейтерия с фтором с последующей передачей возбуждения на СО₂. Для поджига химической реакции в качестве вспомогательного реагента применялась окись азота, существующего при комнатной температуре в виде устойчивого радикала NO. При смешении этого радикала с молекулой фтора образуется атомарный фтор, который и служит активным центром, инициирующим цепь химических реакций, приводящих к возбуждению СО₂:

 

NO + F₂ ® NOF + F; F + D₂ ® DF* + D; D + F₂ ® DF* + F;

DF* + CO₂(00⁰0) ® DF + CO₂ (00⁰1).

Особенности этого процесса обусловливают определенную последовательность смешения реагентов. Вначале должны быть смешаны NO и F₂. Последующий ввод в смесь СО₂ и D₂ обеспечивает весь необходимый набор компонентов для получения лазерной генерации.

Для получения непрерывного режима работы химического лазера необходимо обеспечить достаточно быструю прокачку продуктов реакции через объем лазерного резонатора. При низком давлении реагентов (~ 10^-3 мм рт.ст.) и поперечном размере резонатора в несколько сантиметров скорость прокачки должна составлять ~ 1 м/с. При давлении в несколько мм. рт. ст. необходимые скорости прокачки возрастают до звуковых скоростей 10⁴.. 10⁵ м/с.

Химический СО₂ лазер при оптимальном составе подаваемых в зону реакции реагентов генерирует общую непрерывную мощность до 1 кВт. Удельная мощность – 50 Вт/(г/с). Недостатком такого лазера является высокая токсичность отработанных газов и взрывоопасность используемых смесей газов.