8.3. Кпд CO2-усилителей

8.3.1. Кпд накачки

Здесь мы определяем кпд накачки как отношение энергии, запасенной на рабочих уровнях с инверсной населенностью, к полной энергии, вкладываемой в электрический разряд:

где — энергия лазерного фотона.

Для того чтобы перевести молекулу из основного состояния в состояние (001), необходимо затратить энергию Поскольку из усилителя извлекается лишь энергия максимальный кпд, или квантовый кпд, не может быть больше отношения Это отношение зависит от длины волны излучения и, например, для линии полосы 10,4 мкм составляет 40%. При усилении короткого одиночного импульса величина порядка 10% и более считается вполне приемлемой. Однако при усилении длинного импульса или серии коротких импульсов можно достичь значений более 30%.

Чтобы лучше уяснить себе физические механизмы, определяющие значение удобно представить в виде ряда сомножителей, каждый из которых будет отражать физический процесс, влияющий на значение кпд. Первый из сомножителей отражает потери электрической мощности идущие на накачку симметрической и деформационной мод, а также вращательных степеней свободы. На рис. 4 показана зависимость величины — доли мощности, идущей на возбуждение молекулы N2 и моды А молекулы СО2, — от величины Е/N. Видно, что для каждого состава газовой смеси существует оптимальное значение Е/N, при котором значение достигает максимума. Так, для газовой смеси максимальное значение довольно большое и равно 89%. При усилении коротких импульсов, длительность которых меньше времени релаксации между азотом и модой А, важна не столько величина энергии, идущая на возбуждение молекулы N2 и моды А, сколько количество энергии, уже запасенной на уровнях моды А к

(кликните для просмотра скана)

началу усиления. При этом не имеет значения, каким путем попала туда энергия — непосредственно при возбуждении электронами или при обмене с молекулами N2.

На рис 5 представлены результаты расчета величины которая равна доле энергии, поступающей только в антисимметрическую моду молекулы СО2, при условии что существует равновесие между этой модой и N2. Кривые на рис. 5 в целом воспроизводят ход кривых на рис. 4, умноженных на отношение парциальных давлений Как видно из рис. 4 и 5, выбор оптимального соотношения между компонентами газовой смеси зависит от того, для каких целей предполагается использовать данный усилитель. Так, например, для усилителей коротких импульсов доля азота в смеси должна быть существенно уменьшена.

Рис. 6 Расчетные значения статистических множителей, зависящих от функции пределения по энергиям и определяющих кпд лазера Колебательные температуры приведены в кельвинах — множитель, определяющий долю энергии моды А, соответствующую в данный момент времени верхнему лазерному уровню (001), — отношение населенности уровня (001) к населенности уровня (100)

При усилении импульсов, длительность которых меньше времен колебательной релаксации, существенна только энергия, запасенная в состоянии (001), причем из населенности этого состояния необходимо вычесть населенность уровня (100). Оба этих фактора приводят к уменьшению кпд и зависят, как это показано на рис. 6, от колебательных температур. Здесь — доля энергии моды А, идущая

на заселение состояния (001), которую аналитически можно записать следующим образом:

Величина соответствует относительному уменьшению инверсии населенностей вследствие того, что населенность нижнего лазерного уровня имеет ненулевое значение:

и зависит как от доли энергии, поступающей из разряда в моды и В, так и от скоростей релаксации этих мод. Без учета эффектов релаксации можно записать следующее приближенное выражение:

Применяя формулу (74), можно прийти к выводу, что для чистого величина выше, чем для смесей с гелием. Если же учесть релаксационные эффекты, то смеси, богатые гелием, с точки зрения эффективности не столь благоприятны. Для повышения кпд необходимо, чтобы в активной среде температура была низкой, а — умеренной. Особенно важно иметь низкую температуру а для случаев с низким значительное улучшение достигается при понижении начальной газовой температуры.

Потеря колебательной энергии модой А при межмолекулярных столкновениях является решающим фактором, влияющим на эффективность образования инверсии в процессе накачки. Эти потери возрастают не только с увеличением длительности импульса накачки, но и с повышением пикового значения плотности квантов Относительные потери снижаются при увеличении скорости накачки и использовании низких плотностей инверсной населенности. На рис. 7 приведено несколько кривых, показывающих, как зависит эта составляющая кпд от плотности числа квантов для смеси

Общий кпд образования инверсии представляет собой произведение квантового кпд на эффективности На рис. 8 приведены результаты расчета величины для смеси в предположении, что постоянны. Время, отсчитываемое от момента включения Е и отмечено на кривых точками. Как видно,

(кликните для просмотра скана)

коэффициент усиления слабого сигнала имеет максимальные значения, зависящие от плотности тока.

Существует несколько факторов, прямо или косвенно связанных с газовой температурой Т, которые приводят к еще большему снижению При увеличении газовой температуры имеют место следующие эффекты:

1) распределение по вращательным уровням становится широким и сдвигается в сторону больших что вызывает снижение населенности верхнего рабочего уровня.

2) температура стремящаяся в процессе релаксации к Т, повышается, что приводит к уменьшению инверсии населенностей (уменьшаются

3) релаксация моды А усиливается с ростом частоты столкновений и скорости молекул.

Общий кпд усилителя зависит также и от того, какая часть запасенной колебательной энергии может быть извлечена из системы.