Диффузионный CO2 лазер ВЧЕ-разрядом

устанавливается больцмановское распределение частиц по вращательным

состояниям, описываемое уравнением [pic], где N( , N(,j – концентрации

возбужденных частиц на колебательном уровне ( и на его вращательных

подуровнях j; [pic]= 0,38 см-1 – вращательная константа. Согласно правилам

отбора в молекуле СО2 переходы между двумя различными колебательными

уровнями возможны при изменении вращательного квантового числа на 1 т.е.

(j=(1. Таким образом, линия усиления рабочей среды состоит из большого

числа линий, каждая из которых уширена за счёт эффекта Доплера на величину

[pic] и за счёт столкновений на величину [pic] и для СО2-лазера вычисляются

: [pic]

[pic], где рi – парциальные давления компонент смеси.

Коэффициент усиления активной среды СО2-лазера существенно зависит от

температуры рабочей смеси Тг. Процессы накачки лазерной смеси и генерации

неизменно сопровождается нагревом газа. Температура лазерной смеси Тг в

установившемся состоянии пропорциональна мощности энерговыделения в

разряде, т.е. Тг(jE. В отсутствие генерации заселенность верхнего лазерного

уровня также пропорциональна jE. Поэтому если время столкновительной

релаксации [pic] не зависит от температуры газа и N001(Тг, учёт возрастания

[pic] с ростом Тг лишь ослабит зависимость N001(Тг) (пунктирная линия).

Заселённость нижнего лазерного уровня находится в равновесии с основным и

описывается законом Больцмана N100([pic]. В связи с этим при достижении

некоторой критической температуры Тmax инверсная заселённость лазерной

смеси исчезает. Максимальная инверсия достигается при оптимальных

температурах смеси Торt. Для смеси с (г(1,5*10-1 Вт/(м*К), Тстенки(300К

зависимость населённости лазерных уровней от температуры показана на рис.

8. Типичные значения Тopt(400...500К, Тмах(700...800К.

Под действием электронных ударов и в результате столкновений

возбуждённых молекул в тлеющем разряде в СО2-лазерах происходит частичная

диссоциация углекислого газа СО2 ( СО + О. Отношение концентраций СО к СО2

может достигать (12%, содержание О2 – 0,8%. Из-за этого при сохраняющемся

энерговкладе возрастают потери на диссоциацию, возбуждение электронных

состояний и возбуждение колебаний СО и О2. Поэтому населённость верхнего

рабочего уровня СО2 падает и коэффициент усиления уменьшается. Поскольку

ресурс работы СО2-лазера, определенный требованиями экономичности

установки, оценивается несколькими сотнями часов, а существенный рост доли

СО и О2 определяется минутами, необходимо включение в контур регенератора,

в котором частично восстанавливается рабочая смесь. В диффузионном СО2-

лазере целесообразно применение цеолита (SiO4+AlO4) в количестве 20мг,

насыщенного парами H2O.

4. Резонатор

Резонатор является оптической системой, позволяющей сформировать

стоячую электромагнитную волну и получить высокую интенсивность излучения,

необходимую для эффективного протекания процессов вынужденного излучения

возбуждённых частиц рабочего тела лазера, а следовательно, когерентного

усиления генерируемой волны. Оптические резонаторы в квантовой электронике

не только увеличивают время жизни кванта в системе и вероятность

вынужденных переходов, но и так же, как резонансные контуры и волноводы

определяют спектральные характеристики излучения.

В длинноволновом диапазоне классической электроники длина волны

излучения существенно больше размеров контура и его спектральные

характеристики определяются сосредоточенными параметрами электрической

цепи. Длинные радиоволны при этом излучаются в пространство практически

изотропно. При сокращении длины волны и переход в СВЧ-диапазону для

формирования электромагнитной волны используются пустотелые объёмные

резонаторы с размерами, сравнимыми с длиной волны. При этом появляется

возможность формирования направленных (анизотропных) распределений

излучения в пространстве с помощью внешних антенн. В ИК и видимом диапазоне

длина волны излучения много меньше размеров резонатора. В этом случае

оптический резонатор определяет не только частоту, но и пространственные

характеристики излучения.

Простейшим типом резонатора является резонатор Фабри-Перо, состоящий

из двух параллельных зеркал, расположенных друг от друга на расстоянии Lp.

В технологических лазерах резонатор Фабри-Перо используется крайне редко из-

за больших дифракционных потерь. Чаще используются резонаторы с одной или

двумя сферическими отражающими поверхностями. Свойства этих резонаторов

зависят от знака и величины радиуса их кривизны R, а также от Lp и

определяются стабильностью существования в нём электромагнитной волны.

В так называемом устойчивом (стабильном) резонаторе распределение

поля воспроизводится идентично при многократных проходах излучения между

зеркалами и имеет стационарный характер. В результате попеременного

отражения электромагнитных волн от зеркал волна формируется таким образом,

что в приближении геометрической оптики не выходит за пределы зеркал в

поперечном направлении и выводится из устойчивого резонатора только

благодаря частичному пропусканию самих отражающих элементов. В случае

отсутствия потерь, излучение могло бы существовать в устойчивом резонаторе

бесконечно долго. В неустойчивом (нестабильном) резонаторе световые пучки

(или описывающие их электромагнитные волны) в результате последовательных

отражений от зеркал перемещаются в поперечном оси резонатора направлении к

периферии и покидают его.

Свойства резонаторов и характеристики создаваемых ими пучков можно

описывать и в волновом, и в геометрическом приближении. В качестве критерия

применимости этих приближений удобно использовать так называемое число

Френеля [pic], где a, L – характерные размеры задачи поперёк пучка и вдоль

направления его распространения. Условие NF>>1 соответствует применимости

геометрического приближения. При NF(1 необходимо учитывать также волновые

свойства электромагнитного излучения.

В геометрическом приближении условие устойчивости резонатора имеет

вид:[pic]. Расстояние между зеркалами Lp в этом выражении всегда

положительно, а R1 и R2 положительны только для вогнутых т.е. фокусирующих

зеркал и отрицательны для зеркал с выпуклой поверхностью. Для устойчивых

резонаторов существует стационарное распределение интенсивности

электромагнитного поля. В общем случае интенсивность излучения в устойчивых

резонаторах распределена не равномерно по всему объёму резонатора, а

сосредоточена внутри области, называемой каустикой (рис.9). Радиусы (1, (2,

этой области на зеркалах а также её минимальный радиус (0 в месте перетяжки

определяются длиной волны и параметрами резонатора (R1, R2, Lp). Для

основного типа колебаний их можно рассчитать с помощью соотношений: [pic]

Расстояния L1 L2 от места положения перетяжки до зеркал составляют: [pic]

[pic].

Наибольшее распространение получил среди устойчивых резонаторов

полуконфокальный резонатор, у которого одно зеркало плоское (R2=() а второе

имеет радиус R1=2LP т.е. его фокус лежит на плоском зеркале. Основное

удобство полуконфокального резонатора, определяющее его широкую

распространённость, заключается в возможности использования для вывода

излучения плоских окон из частично прозрачных материалов а также в

параллельности выходящего пучка. В случае использования металлических

зеркал излучение можно выводить через одно из них или систему отверстий.

Устойчивый резонатор сравнительно прост в эксплуатации. Он легко

юстируется, достаточно устойчив по отношению в разъюстировке. Его

сферические зеркала сравнительно просто поддаются изготовлению и контролю

радиуса кривизны. Поэтому они находят широкое применение в лазерной

технике, особенно в технике маломощных (( 1 кВт) лазеров. К числу

недостатков устойчивых резонаторов следует отнести несовпадение объёма

каустики с объёмом активной среды, что приводит к уменьшению КПД и

увеличению размеров лазера, а также повышенные значения плотности мощности

при перетяжке, что в случае её малых размеров может привести к оптическому

пробою. Однако самым серьёзным недостатком устойчивых резонаторов является

невысокая лучевая стойкость используемых в качестве выходных окон

диэлектрических оптических материалов. Именно это обстоятельство

ограничивает использование устойчивых резонаторов при больших плотностях

излучения.

В лазерах повышенной мощности в последнее время широкое

распространение получили неустойчивые резонаторы со сферическими

металлическими зеркалами. Наиболее часто в лазерной технике используется

телескопический конфокальный неустойчивый резонатор, дающий на выходе

параллельный пучок. Одно из его зеркал выпуклое, а другое вогнутое.

Генерация возникает в приосевой зоне. Покидающее эту зону излучение

усиливается при многократных проходах между зеркалами, смещаясь к периферии

резонатора. Относительная величина смещения положения луча на выпуклом

зеркале за один проход называется коэффициентом увеличения резонатора

[pic]. В отличие от устойчивого резонатора прозрачность неустойчивого

резонатора определяется не пропусканием излучения выходным зеркалом, а

геометрическими размерами системы. Из-за геометрического расширения

излучения его интенсивность падает на одном проходе в М2 раз. Однако в

стационарных условиях при малых внутрирезонансных потерях усиление

излучения на одном проходе также составит М2. Таким образом, весь

неустойчивый резонатор заполнен излучением с практически равной

интенсивностью, что в отличие от устойчивых резонаторов обеспечивает полное

и равномерное использование всей активной среды. Если добавить к этому

высокую лучевую стойкость металлических зеркал, то преимущество

неустойчивых резонаторов для мощных лазерных систем становится очевидным.

5. Характеристика газового разряда, ВАХ, потенциальная диаграмма

В высокочастотных разрядах ёмкостного типа (ВЧЕР) высокочастотное

(ВЧ) напряжение подаётся на электроды, которые могут быть изолированы от

разряда твёрдым диэлектриком или соприкасаться с разрядом. В этом смысле

можно условно называть ВЧЕ-разряды электродными или безэлектродными. Для

диффузионного СО2-лазера ориентировочное давление рабочей среды (20-40

торр, частота возбуждения (10-120 МГц (основная промышленная частота f(13,6

МГц). Плазма таких разрядов, как правило, слабо ионизована, неравновесна и

подобна плазме тлеющего разряда. При давлении (20 торр частота столкновений

(м примерно в 103 раз превышает частоту колебаний (=2(f, поэтому в

осциллирующем поле типа Е=Еаsin(t электроны совершают дрейфовые колебания с

амплитудой и скоростью смещений [pic] [pic] где (м – частота электронных

столкновений. При ЕА/р(10 В/(см*торр), что характерно для неравновесной

слабоионизированной плазмы молекулярных газов и промышленной частоты,

амплитуда дрейфовых колебаний А(0,1 см. Она сравнительно мала по сравнению

с типичными для экспериментов длинами разрядных промежутков вдоль поля

L(0,5-10 см. Дрейфовые скорости и амплитуды колебаний ионов в (102 раз

меньше, так что колебательное движение ионов во многих случаях можно

вообще не принимать во внимание. Даже при весьма низкой плотности

электронов ne=108 см-3 и характерной для столкновительной плазмы

электронной температуры Те=1 эВ дебаевский радиус dD(0,05см Еопт, не может

сформироваться т.к. по условию эксперимента х < lф (lф – длина

фарадеева пространства). Основной недостаток рассмотренной схемы

заключается в её очень малом КПД, поскольку практически всё приложенное к

электродам напряжение падает на катодном слое, в котором из-за малых ne и

больших величин Е накачка активной среды не происходит, за исключением

тонкого слоя вблизи тлеющего свечения со стороны катода. Аналогичная

ситуация имеется и в сильноточном ВЧЕР. Однако благодаря существованию в

определённых условиях слаботочного режима горения ВЧЕР, когда

приэлектродные слои не пробиты и потери в них невелики, появляется

возможность использовать для накачки рабочей среды лазера поперечный разряд

с малым межэлектродным зазором но высоким КПД. Именно в этом заключается

основное преимущество ВЧЕР по сравнению с поперечным разрядом постоянного

тока. Но эксперименты показывают, что слаботочный разряд может гореть

только при значениях pL, меньших некоторого критического (pL)кр. Это

зависит от электродов и свойства газа. При pL((pL)кр слаботочный разряд

становится неустойчивым и либо переходит в сильноточную форму либо гаснет.

При pL>(pL)кр зажечь его вообще не удаётся и реализуется только

сильноточный режим. При pL50 МГц.

. Толщина приэлектродных слоёв пространственного заряда dсл в диапазоне

частот f>50 МГц составляет доли мм, что позволяет заполнить плазмой малые

межэлектродные зазоры d(1,5(3 мм.

6. Заключение

Представленные в работе данные о диффузионном СО2-лазере с

высокочастотным возбуждением показывают многие преимущества такого типа

возбуждения активной среды по сравнению с возбуждением разрядами

постоянного и переменного тока. ВЧЕ-разряд устойчивее разряда постоянного

тока, в нём достижим существенно больший энерговклад. Балластным

сопротивлениям, которые всегда оказывают благотворное действие на

стабильность разряда, можно придать ёмкостный (реактивный) характер, что

избавляет от бесполезных потерь энергии, которые о обычных омических

балластниках составляют примерно 30% подводимой электрической мощности.

Существенное преимущество ВЧЕР - это возможность избавиться от катодных

слоёв, свойственных разрядам и постоянного и переменного тока. В катодных

слоях бесполезно теряется часть энергии, кроме того, в них обычно

рождаются возмущения, от которых развивается неустойчивости. Эти

преимущества обеспечивает только слаботочная форма ВЧЕ-разряда. Поэтому

для СО2-лазера необходим именно слаботочный режим, в котором получены

рекордные мощности излучения: (0,83 Вт/см. Недостаток этого режима –

ограничение на плотность тока, длину промежутка и давление. Над

улучшением данных характеристик ведётся работа. Также большим

преимуществом является удобство работы с длинными трубками, низкие

рабочие напряжения, высокая устойчивость и однородность. Дальнейший

прогресс в области диффузионных СО2-лазеров с ВЧ-накачкой связан с

исследованием условий протекания тока на границах плазмы ВЧ-разряда с

электродами, а также решением проблем, связанных с волноводным режимом

работы резонатора, увеличение скорости теплоотвода на стенки разрядной

трубки.

7. Список литературы

1) В.С. Голубев, Ф.В. Лебедев “Физические основы создания технологических

лазеров”

2) В.С. Голубев, Ф.В. Лебедев “Инженерные основы создания технологических

лазеров”

3) Ю.П. Райзер “Физика газового разряда”

4) А.А. Веденов “Физика электроразрядных СО2-лазеров”

5) Н.А. Яценко “Газовые лазеры с высокочастотным возбуждением”

6) Н.А. Яценко “Влияние частоты накачки на параметры газовых лазеров с

высокочастотным возбуждением”

7) Ю.С. Протасов, С.Н. Чувашев “Физическая электроника газоразрядных

устройств”

8) В. Виттеман “СО2-лазер”

-----------------------

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

Страницы: 1, 2