Принцип работы газоразрядных СО2-лазеров

1.1 Газоразрядные СО2-лазеры

По введенной классификации СО₂-лазеры – молекулярные газовые лазеры с накачкой электрическим разрядом, способные работать в любом из трех указанных режимах – непрерывном, импульсном и частотно-импульсном. Активная среда таких лазеров представляет собой смесь газов, принципиально важными компонентами которой служат молекулы СО₂ и азота N₂. Их отличительными особенностями являются высокая стабильность частоты, временная и пространственная когерентность излучения, разнообразие способов создания инверсной населенности, а также возможность регулировать мощность излучения в очень широких пределах за счет отсутствия ограничения на размер активной среды.

В непрерывном режиме могут быть получены огромные мощности – в несколько десятков киловатт, импульсная мощность достигает уровня в несколько гигаватт, а энергия в импульсе измеряется в килоджоулях. КПД СО₂-лазера (до 30 %) превосходит КПД всех других газовых лазеров. Частота следования в импульсно-периодическом режиме может составить несколько килогерц. Длины волн излучения СО₂-лазера находятся в диапазоне 9-10 мкм (средний ИК-диапазон) и попадают в окно прозрачности атмосферы. Поэтому излучение СО₂-лазера удобно для интенсивного воздействия на вещество, например в технологических целях.

СО₂-лазер является одним из самых мощных газовых лазеров (от газодинамического СО₂-лазера получены выходные мощности порядка 80 кВт), и наиболее эффективных (практический КПД равен 15...25 %) [3, 6].

 

 

Активной средой почти любого лазера служит вещество, в определенных молекулах или атомах которого в определенной паре уровней можно создать инверсную заселенность. Это означает, что количество молекул, находящихся в верхнем квантовом состоянии, соответствующем радиационному лазерному переходу, превышает количество молекул, находящихся в нижнем. В отличие от обычной ситуации луч света, проходя через подобную среду, не поглощается, а усиливается, что открывает возможность генерации излучения.

Инверсия в СО₂-лазере создается при помощи электрического разряда, каким механизмом – будет сказано чуть ниже. Чтобы луч усилился в высокой степени, он должен пройти в активной среде большой путь. Для этого ее помещают в резонатор. Самый простой резонатор – это два плоских зеркала, от которых случайно зарожденный луч отражается многократно. Одно из зеркал – полностью отражающее («глухое»), другое – полупрозрачное, чтобы выпускать излучение. Эти общие принципы почти в первозданном виде воплощены в простейшей конструкции СО₂-лазера для небольших мощностей, примерно до 100 Вт (см. рисунок 1.1).

 

 

Рисунок 1.1 – Принцип устройства СО₂-лазера

 

В СО₂-лазере используется переход между двумя колебательными (точнее, колебательно-вращательными) уровнями основного электронного состояния молекулы СО₂. Длина волны излучения l = 10,6 мкм принадлежит далекой инфракрасной области. Линейная молекула СО₂ может совершать колебания трех типов. Частота n₁ соответствует симметричным колебаниям, n₂ – деформационным, n₃ – антисимметричным. Лазерный квант излучается при переходе из состояния 001 в 100; цифры означают квантовые числа колебаний n₁, n₂, n₃. Возможный также переход 001 020 с l = 9,4 мкм весьма слаб. Энергия лазерного кванта составляет 41% энергии верхнего уровня 001. Это теоретический предел для КПД лазера. Если бы вся энергия при накачке шла исключительно на возбуждение уровня 001 СО₂ и каждое возбуждение сопровождалось радиационным переходом 001 100, энергия лазерного излучения составляла бы 41% затрат. Реальный КПД всегда значительно ниже.

Верхний лазерный уровень в СО₂-лазере возбуждается ударами электронов разрядной плазмы. Тлеющий разряд является одним из двух наиболее распространенных видов газового разряда постоянного тока (другой разряд – дуговой). Тлеющий разряд видели все – вспомните рекламные трубки на улицах. Плазменный столб между электродами может быть сделан любой длины, лишь бы было приложено достаточно напряжения. Столб может как угодно изгибаться, повторяя изгибы трубки. В СО₂-лазерах применяют средние давления газа, р = 10 – 50 Торр (1 Торр = 1 мм. рт. ст.). Слабоионизованная плазма тлеющего разряда со степенью ионизации 10^-8 – 10^-7 сильно неравновесна. Температура электронного газа Т_е ~ 104 К гораздо выше температуры газа тяжелых частиц Т, которая может не на много превышать комнатную (разрядной трубки нередко можно коснуться рукой). Степень ионизации на несколько порядков меньше термодинамически равновесной, соответствующей Т_е.

Целесообразность использования тлеющего разряда для накачки СО₂-лазера состоит в том, что в молекулярных газах подавляющая часть выделяющейся энергии тока затрачивается на возбуждение молекулярных колебаний. Электрическое поле, поддерживающее плазму, сообщает энергию электронам – носителям тока, а те возбуждают колебания. Особенно эффективен в этом отношении азот, где до 95% энергии переходит первоначально в колебания молекул. Вместе с тем дальнейшее превращение этой энергии в энергию их поступательного движения («в тепло») происходит в азоте крайне медленно. Поскольку энергия первого колебательного уровня молекулы N₂ очень близка к энергии уровня 001 СО₂, открывается возможность быстрой резонансной передачи колебательного кванта от к СО₂ с прямым заселением верхнего лазерного уровня. По этой причине в рабочий газ непременно добавляют азот, часто даже в большем количестве, чем сам СО₂.

 

 

Рисунок 1.2 – Нижние колебательные уровни основного электронного
 состояния молекул N₂ и СО₂

 

На рисунке 1.2 приведены схемы энергетических уровней основных электронных состояний молекул СО₂ и N₂. Поскольку N₂ – двухатомная молекула, она имеет лишь одну колебательную моду. На рисунке показаны два нижних уровня (v = 0, v = 1). Структура энергетических уровней молекулы СО₂ более сложная, поскольку эта молекула является трехатомной. Здесь мы имеем три невырожденные колебательные моды, а именно: 1) симметричную валентную моду – v₁; 2) деформационную моду – v₂; 3) асимметричную валентную моду – v₃. Поэтому колебания молекулы описываются тремя квантовыми числами n₁, n₂ и n₃, которые определяют число квантов в каждой колебательной моде. Таким образом, соответствующий уровень обозначается этими тремя квантовыми числами, записываемыми в последовательности n₁, n₂, n₃.

Сильной инверсии способствует не только интенсивное заселение верхнего уровня 001, но и быстрое расселение нижнего уровня 100, на который все время поступают молекулы, испустившие лазерный квант. Но наряду со столкновениями, дезактивирующими уровень 100, идет и его прямое возбуждение. В результате заселенность уровня 100 оказывается не очень далекой от равновесной, соответствующей поступательной температуре газа Т. Значит, для эффективной лазерной генерации температура газа должна быть достаточно низкой. Практически недопустим нагрев газа более чем на 200 ^оС [2, 10].

Между тем в рабочем газе выделяется очень много тепла. Не вся энергия электронов затрачивается на возбуждение верхнего лазерного уровня СО₂. Не все попавшие на этот уровень молекулы излучают лазерный квант. Если, как это обычно и бывает, КПД лазера составляет h ~ 10%, то 90% джоулева тепла тока идет в конечном счете на нагрев газа. Таким образом, обеспечение достаточно быстрого теплоотвода является необходимым условием работы СО₂-лазера. В этом отношении очень полезно присутствие гелия в рабочем газе. Легкий гелий, обладая высокой теплопроводностью, ускоряет вывод тепла из разряда. Кроме того, атомы гелия способствуют дезактивации нижнего лазерного уровня. Обычно подбирают оптимальный для каждой конструкции состав газа, например в пропорциях СО₂:N₂:Не = 1:1:8 или 1:6:12 по числам молекул. Рабочая смесь со временем портится (разлагается СО₂, образуются вредные в некоторых отношениях компоненты: СО, N₂О и др.), так что смесь приходится медленно обновлять.