Газовые СО2 лазеры непрерывного действия

В газовых лазерах энергия активации передается атомам при соударениях с электронами, имеющими большие скорости. Такие электроны появляются в газе вследствие поддержания в нем газового разряда. Электроразрядные СО₂ –лазеры используются для резки материалов, сварки металлов, термического упрочнения поверхностей деталей и ряда других технологических операций. Их мощность в непрерывном режиме может достигать многих киловатт. Длина волны излучения 10,6 мкм ( = 0,117 эВ) принадлежит далекой инфракрасной области. В лазере на СО₂ используется колебательный переход между двумя колебательными (точнее колебательно-вращательными) уровнями основного электронного состояния молекулы СО₂. Верхний лазерный уровень в электроразрядных СО₂ - лазерах заселяется

путем возбуждения колебаний ударами электронов в плазме положительного

столба тлеющего разряда. Мощность лазеров удается поднять благодаря смешению СО₂ с азотом. Энергия колебательного уровня молекул N₂ хорошо возбуждается электронами в тлеющем разряде и медленно релаксирует. Она очень близка к энергии верхнего лазерного уровня СО₂. Это открывает возможность быстрой резонансной передачи колебательной энергии от молекул азота молекулам СО₂ с прямым заселением нужного уровня. Достижение большой инверсной заселенности обусловливается не только интенсивным заселение верхнего уровня, но и достаточно быстрым расселением нижнего уровня, куда все время поступают молекулы, испустившие лазерный квант. С нижнего уровня молекулы должны быстро переходить в другие состояния, «освобождая» уровень для того, чтобы сохранялась значительная разница заселенностей (инверсность), которой определяются коэффициент усиления и мощность излучения. Чтобы поддерживалась высокая степень инверсности, температура должна быть достаточно низкой. Практически нежелателен нагрев газа более чем на 150 - 200 °C. При более высокой температуре инверсия и лазерная мощность резко снижается, а при Т > 320 - 370 °C генерация вообще становится невозможной. Обеспечение достаточно быстрого теплоотвода является необходимым условием работы лазера. Опыт показывает, что для СО₂-лазеров очень полезно присутствие гелия. Легкий гелий, обладающий высокой теплопроводностью, ускоряет вывод тепла из разряда, улучшает свойства самого разряда. Существует два типа лазеров, различающихся способом теплоотвода: с диффузионным и с конвективным охлаждением. Установки, в которых тепло из разряда выводится механизмом теплопроводности, называют лазеры с диффузионным охлаждением. При мощности менее 1 кВт, всегда используется классическая схема тлеющего разряда в трубке.

Рисунок 14. Схема СО₂ лазера с диффузионным охлаждением: 1 – разрядная

трубка, 2 – кольцевые электроды, 3 – прокачка лазерной смеси, 4 – разрядная плазма,

5 - проточная вода, 6 – непрозрачное зеркало, 7 – полупрозрачное зеркало, 8 – излу-

чение.

В длинной стеклянной трубке с радиусом 1 - 3 см помещены внутри

кольцевые электроды, чтобы не загораживать дорогу излучению. Используется,

например, смесь состава СО₂: N₂: Hе = 1:1:8 при 2500 Па. С целью непрерывного обновления смеси газ медленно прокачивают через трубку, так как в разряде происходит разложение молекул газа и образуются побочные продукты, оказывающие неблагоприятное действие. Тепловой поток из разряда идет к стенкам трубки, которые охлаждают проточной водой. Одно из зеркал металлическое, вынесено за пределы трубки; излучение к нему проходит через окно, прозрачное для лазерного излучения. В качестве материала окон используют: . Другим зеркалом, полупрозрачным, через которое выводится излучение, служит окно на противоположном конце.

Для сокращения длины лазера при повышенных мощностях, когда длина

труб достигает десятков метров, их складывают в несколько колен, ставя отражатели излучения в местах поворотов. Питание подают независимо в отдельные не слишком длинные (метровые) секции.

Рисунок 15. Схема многосекционного трубчатого лазера с последовательным

соединением труб: 1 – разрядные трубы, 2 – непрозрачное зеркало, 3 – поворотные

зеркала, 4 – полупрозрачное выходное зеркало, 5 – выходящий луч.

 

Параметры разряда и положительного столба типичны для тлеющего разряда:

Лазеры такого типа надежны в работе, неприхотливы, хорошо себя зарекомендовали, но получить от такой схемы большую мощность можно, только наращивая длину труб, что связано с недопустимостью нагрева выше определенного значения.

Таким образом нельзя произвольно повышать ток, например, увеличивая радиус R, или повышать напряжение, увеличивая давление р,- наступит перегрев, и генерация прекратится. В 1 метр трубы нельзя вкладывать больше примерно 1 кВт электрической мощности и получить с него более 70-100 Вт излучения.

Второй способ охлаждения лазеров (конвективный) заключается в быстрой

прокачке газа через разряд. Это резко сокращает время вывода тепла из разрядного объема и позволяет поднять плотность энерговыделения, а следовательно, и плотность энергосъема излучением.

Вопросы:

1. Основные свойства лазерного излучения.

2. Корпускулярно- волновой дуализм. Основные идеи.

3. Связь между длинной волны, скорость распространения и частотой колебаний.

4. Перенос энергии ЭМ волной. Вектор Умова – Пойтинга.

5. Понятия интерференции и пространственно – временной когерентности.

6. Прозрачные среды, механизм прозрачности.

7. Основная функция лазера.

8. Основной квантовый закон и частота излучения.

9. Принцип действия лазера.

10. Сравнение спонтанного и вынужденного излучений квантовой системы.

11. Состояния атомов квантовой системы, явление поглощения света атомами.

12. Населённость энергетических уровней, понятие инверсной населённости.

13. Трёх и четырёх уровневые системы лазерной генерации.

14. Резонаторы лазеров.

15. Блок-схема ОКГ. Основные и вспомогательные элементы.

16. Принципы классификации лазеров. Типы лазеров.

17. Основные параметры лазерного излучения.

18. Длины волн газовых лазеров.

19. Принцип действия и устройство газовых СО₂- лазеров.

20. Рабочие тела и длины волн твёрдотельных лазеров.