Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
Лекция шестнадцатая. СO2-ЛАЗЕРЫ (продолжение)Спектральные свойства СО лазеров. Вращательная структура. Полосы Обратимся теперь к спектральным свойствам Вращательная структура колебательных уровней существенно расширяет диапазон возможных частот генерации при колебательной инверсии. В одной колебательной полосе наблюдаются Р- и В неселективном резонаторе излучается та вращательная линия, стартовый подуровень которой в колебательном состоянии обладают линии R(18) и R(20) с частотами 974,6 и 975,9 Богатая вращательная, структура, наличие двух колебательных полос с инверсией населенности, вращательная конкуренция позволяют, используя перестраиваемый селективный резонатор, с высокой эффективностью получать лазерное излучение практически на любой из линий Р- и R-ветвей полос
Рис. 16.1. а) Частотные диапазоны дискретной перестройки лазеров на молекулах При малых давлениях возможна только дискретная перестройка (перестройка по линиям) с шагом, соответствующим расстоянию между линиями. Это расстояние различно в разных ветвях разных полос и меняется от 0,8 до Принимая значения спектрального интервала резонатора позволяет не требовать столь полного перекрытия, и СО2-лазеры высокого давления обеспечивают достаточно широкие области плавной перестройки частоты излучения в Р- и R-ветвях полос Здесь возникает серьезная проблема обеспечения тлеющего или подобного ему разряда при столь высоких давлениях. Продольный разряд в длинных трубах нереализуем при этих давлениях. В стационарной плазме условия горения разряда сохраняются, как мы это уже неоднократно обсуждали, при постоянстве произведения Не вдаваясь в вопросы физики плазмы, отмвтим, что процессом, ограничивающим возможности получения равномерного разряда в газах высокого давления и не в капиллярной геометрии при статическом пробойном напряжении и выше, является образование искрового канала. Тлеющий разряд, имеющий место при низких давлениях, преобразуется в дугу, что срывает генерацию лазера. Однако время развития дуги (или дуг) при самостоятельном разряде конечно. Поэтому однородный разряд в принципе может быть получен в любом газе между двумя электродами, если обеспечить малость времени разряда по сравнению со временем образования дуги. Так мы приходим к импульсному разряду и тем самым к импульсным лазерам. В традиционной схеме газового лазера с использованием длинных газоразрядных труб, электрический разряд и течение газа в которых осуществляется вдоль оси трубы, совпадающей с оптической осью резонатора, невозможно значительно повысить давление газа, так как при этом резко возрастает пробивное напряжение и требуются многомегавольтные источники импульсного напряжения. Кроме того, индуктивность длинного разрядного контура велика, и разряд в нем не может быть сделан достаточно кратковременным. Увеличение диаметра газоразрядных труб не помогает, так как при этом облегчается шнурование разряда. Решение было найдено переходом к системам с поперечным разрядом. Суть дела здесь довольно проста. Если электроды газового разряда вытянуть вдоль оптической оси лазера (рис. 16.2), то напряжение питания разряда окажется приложенным под прямым углом к оптической оси. Пробойное напряжение резко снижается по сравнению с продольной конфигурацией. Кроме того, появляется возможность значительного увеличения рабочего объема за счет развития электродов в направлении, перпендикуляр ном как току разряда, так и оптической оси системы. В этом
Рис. 16.2. Схема поперечного разряда с предиопизацией УФ излучением искрового разряда. Вернемся к поперечному возбуждению. Для того чтобы поперечный разряд горел более или менее однородно по сечению и по длине лазерной камеры, необходим» прежде всего быстрый энерговклад. Поэтому большое развитие получили различные методы организации быстрых разрядов, емкостные генераторы импульсных напряяений на основе схем Аркадьева — Маркса, импульсные трансформаторы и т. п. Кроме того, важно подготовить газ к быстрому энерговкладу. Лучшим методом является предварительная, однородная по всему объему ионизация газа. Для этого широко используется УФ засветка рабочего объема. Источником УФ предионизации служат различного рода искровые разрядники, листовые плазменные разряды и т. п., помещаемые непосредственно в лазерную камеру и зажигаемые с небольшим (порядка нескольких десятков наносекунд) опережением по отношению к основному разряду главного энерговклада. УФ Излучение в диапазоне 200 нм производит ионизацию всегда присутствующих в лазерной смеси примесей. При наличии особо чистых газов помогает контролируемое добавление в смесь легко ионизируемых присадок типа трипропиламииа. Итак, вспомогательные разряды создают предварительную ионизацию, по крайней мере, части рабочего объема около основных электродов, что обеспечивает получение однородного разряда со всей площади электрода. Предварительная ионизация сокращает время, необходимое для того, чтобы инициирующие разряд электроны оказались в разрядном промежутке, когда напряжение питания основного разряда приложено к основному разрядному промежутку. Это позволяет вложить в газ энергию до образования дуги. В свою очередь, на скорость, образования дуги влияет степень обработки электродов, их конфигурация и расположение. Для того чтобы задержать образование дуги как можно дольше, расстояние между электродами должно быть выдержано с большой точностью одинаковым по всему объему, поверхности электродов должны быть тщательно отполированы и должны иметь конфигурацию, обеспечивающую одинаковую напряженность электрического поля в зазоре по всей поверхности, например так называемые профили Роговского или Брюса. При этом необходимым условием являются малая индуктивность подводящих электрических цепей и быстрое включение напряжения. Лазеры такого типа (см. рис. 16.2), работающие при атмосферном давлении, получили наименование При атмосферном давлении время передачи энергии от азота к
Рис. 16.3. Типичная форма импульса излучения TEA СО2-лазера. На рис. 16.3 приведена типичная форма импульса излучения TEA СО2-лазера. Общая длительность импульса излучения возрастает до 1 мкс, соответственно увеличивается и полная энергия излучения. Обычно в первом пичке излучения содержится от 1/3 до 1/2 полной энергии импульса. Легко сделать оценку полной энергии импульса излучения TEA СO2-лазера. Пусть условия самовозбуждения сильно перевыполнены. Тогда полная энергия в импульсе излучения определяется энергией несимметричного валентного колебания молекул
где
где Р — полное давление газовой смеси в лазерной кювете, V — рабочий объем лазера,
С понижением температуры удельный энергосъем возрастает. При комнатной температуре
что хорошо отвечает экспериментальным результатам. Заметим, что первый и второй члены в числителе формул (16.2) и (16.3) дают относительные доли энергии, излучаемой в первом пичке и в хвостовой части импульса TEA Проведенная выше оценка правомочна, так как при атмосферном давлении время вращательной релаксации составляет 0,1 нс, время установления равновесия в одной, колебательной моде В заключение обсуждения вопроса о TEA 3 ГГц (или Применение систем с двойным разрядом в Переход к несамостоятельному разряду, когда ионизация газа осуществляется каким-то независимым агентом, например пучком быстрых электронов, а энергия вкладывается оптимальным образом в уже ионизованную среду, обеспечивает однородное возбуждение рабочей смеси газов при отсутствии пробоя в газе, т. е. при значениях Прежде чем перейти к неэлектрическим методам создания инверсии в линзы, призмы и т. п.). По существу этот вопрос выходит за рамки нашего курса, являясь объектом изучения процессоввзаимодействия лазерного излучения с веществом. Но Наилучшими прозрачными материалами, которые могут быть использованы как окна газовых кювет СО2-лазеров, являются щелочно-галоидпые кристаллы типа
ограничивающее длину активной среды лазера l и давление в нем р. Оптическая стойкость металлических отражающих зеркал и самой активной среды лазера выше, поэтому ограничивающей является непрочность прозрачных материалов. В непрерывном или импульсно-периодическом режимах задолго до появления необратимых изменений возникает много вопросов, связанных с термооптическими искажениями. В целом можно считать, что современные материалы позволяют работать в непрерывном режиме с интенсивностями порядка нескольких киловатт на квадратный сантиметр. Обратимся теперь к методу создания активной среды газовых лазеров, принципиально отличному от тех, которые обсуждались в предыдущих лекциях. Рассмотрим газодинамические лазеры. В этих лазерах источником энергии излучения служит тепловая энергия молекулярного газа, равновесно нагретого до высокой температуры. При тепловом равновесии, как бы высока ни была температура, инверсии быть не может. Тепловая энергия равнораспределена по всем степеням свободы-молекул, в том числе и по колебательным степеням свободы. Но различные колебательные моды многоатомных молекул могут релаксировать с различной скоростью. Поэтому если резко изменить условия, то разные моды могут подойти к новому равновесию за разное время. Значит, при резком изменении термодинамических параметров газа в процессе перехода от одного состояния равновесия к другому может существовать отрезок времени, в течение которого термодинамическая неравновесность газа имеет характер инверсии, если только более высоко расположенный уровень энергии релаксирует медленнее. Именно так обстоит дело в случае молекул к колебаниям Простейшим способом быстрого охлаждения больших массовых потоков газа является газодинамическое охлаждение при сверхзвуковом истечении сжатого и нагретого газа практически в вакуум. Сверхзвуковое расширение должно понижать температуру и давление газовой смеси за время, короткое по сравнению с временем жизни верхнего лазерного уровня и длительное по сравнению с временем жизни нижнего лазерного уровня. Для этого расширение газа должно быть организовано при истечении через сверхзвуковое сопло с малой высотой критического сечения
Рис. 16.4. К идее газодинамического, лазера. Вверху — профиль сопла, внизу — график зависимости населенности от расстояния (в произв. ед.); 1 — нижний уровень, 2 — верхний уровень. Штриховая линия — местоположение критического сечения сопла. Тогда газовая смесь меняет свои параметры на отрезке длиной 1 — 2 см по потоку, что при сверхзвуковой скорости течения Очевидно, что инверсия существует на каком-то конечном отрезке в области вниз по потоку от сопла, где и должны быть установлены соответствующие зеркала. Отметим, что резонатор газодинамического В газодинамических лазерах тепловая энергия молекул газа непосредственно преобразуется в энергию когерентного электромагнитного излучения. Этот лазер является своего рода тепловой машиной, и его к. п. д. определяется температурами рабочего тела — высокой и низкой. Однако поднимать слишком высоко высокую температуру нельзя из-за диссоциации Основным достоинством газодинамических лазеров является их высокая выходная мощность в непрерывном режиме работы, достигающая мегаваттного диапазона, что обусловлено тем, что сверхзвуковой поток газа может проносить через резонатор лазера большое количество возбужденных молекул в единицу времени. Естественно, что такие лазеры представляют собой сложное инженерное сооружение. Прошедший через резонатор газ выбрасывается обычно в атмосферу. В случае обычной лазерной смеси Нагрев газа внешними источниками тепла нерационален. В установках большого масштаба нагретая до 1300—1400 К газовая смесь требуемого состава получается сжиганием соответствующим образом подобранных углеводородных топлив в воздушной атмосфере. Это обстоятельство в еще большей степени подчеркивает тот факт, что в газодинамических лазерах тепловая энергия непосредственно преобразуется в энергию когерентного электромагнитного излучения. Газодинамический метод создания инверсии получил основное развитие применительно к Очевидно, что газодинамический метод может быть применен и к молекулам, для которых (или для смесей которых с какими-либо другими молекулами) возможно «замораживание» высокой колебательной температуры более высоко расположенного колебательного уровня и быстрая термализация нижнего колебательного уровня при резком охлаждении газа (см. рис. 16.4). Итак, в электроразрядных молекулярных лазерах используется разнесение каналов релаксации по различным колебательным модам и возбуждение долгоживущей моды либо непосредственно электронным ударом, либо путем передачи энергии возбуждения от газа — носителя энергии, возбуждаемого электронным ударом. В газодинамических лазерах для возбуждения Используется термодинамически равновесный нагрев, который приводит к термодинамически неравновесному распределению населенностей при сверхзвуковом истечении газа за счет различия скоростей релаксации по упомянутым выше разнесенным каналам. Совершенно аналогично для возбуждения газа могут быть использованы экзотермические химические реакции, часть энергии при протекании которых может высвобождаться в виде колебательной энергии молекул. Если эта колебательная энергия передается затем, скажем, молекулам Подчеркнем также, что в химических лазерах происходит прямое преобразование химической энергии в энергию когерентного электромагнитного излучения, а привлекательность этих лазеров объясняется тем, что существует большое число химических реакций с огромпым энерговыделением.
|
1 |
Оглавление
|