9.2.2. Ионные газоразрядные ОКГ

Первый ионный газоразрядный ОКГ был осуществлен Беллом в 1963 г. на парах ртути. Его выходная мощность составляла несколько ватт в импульсе, что значительно превышало мощности известных ранее лазеров. В настоящее время получена генерация более чем на 200 линиях многих элементов: инертных газов (гелий, неон, аргон, криптон), хлора, брома, йода, кислорода, азота, кремния, серы, фосфора, ртути, цинка, кадмия и др. Наиболее широко распространенными и характерными представителями этой группы ОКГ являются аргоновые ионные ОКГ (рис. 9.4). Наибольшая мощность излучения получена на длинах волн: 0,488, 0,5145 и 0,4965 мкм. Выходная мощность в непрерывном режиме достигает десятков ватт при максимальном к. п. д до 0,2%. Наиболее интенсивным является переход .

Для возбуждения используется дуговой разряд в аргоне при малом давлении . Пороговые плотности тока обычно составляют около 50 А/см2. Это означает, что при диаметре капилляра 2—4 мм

разрядные токи равны нескольким сотням ампер. Выделяющаяся в разрядном капилляре мощность может достигать длины. Отсюда следует, что такие тепловые режимы способны выдержать только наиболее термостойкие материалы. Отвод тепла от разрядного капилляра обеспечивается за счет интенсивного водяного охлаждения. Поэтому помимо высокой термостойкости материал капилляра должен обладать высокой теплопроводностью и стойкостью к тепловым ударам.

Рис. 9.4. Конструкция газового ОКГ на аргоне. 1 — катод; 2 — кварцевый капилляр; 3 — магниты; 4 — анод; 5 — обводный путь; 6, 7 — вход и выход для охлаждающей воды.

В первых ионных ОКГ использовались кварцевые капилляры, которые обеспечивали срок службы ОКГ примерно 100 ч. В более поздних конструкциях делались попытки применять различные виды керамики: алунд, брокерит а также графит. Имеются данные, что ОКГ из керамики на основе окиси бериллия работают около

При высоких плотностях разрядного тока концентрация электронов в плазме должна составлять приблизительно Столь высокая ионизация газа при малом давлении приводит к тому, что ионный ток на стенку очень велик и вызывает эрозию материала стенки. Для уменьшения этого воздействия используют продольное магнитное поле, создаваемое с помощью соленоидов и постоянных магнитов.

Высокая плотность разрядного тока приводит к перекачке газа от катода к аноду, которая вызывает неравномерность концентрации газа вдоль капилляра и связанную с этим неравномерность коэффициента усиления по длине капилляра. Для уменьшения эффекта перекачки газа используют обводный канал,

представляющий собой трубку, которая соединяет катодный и анодный объемы. Сечение трубки подбирается таким, чтобы обеспечить быстрое выравнивание давлений без возникновения разряда в этом канале.

Механизм работы аргонового ионного ОКГ в основном соответствует трехуровневой системе, в которой нижний рабочий уровень обладает очень коротким временем жизни и поэтому быстро опустошается за счет спонтанного излучения.

Рис. 9.5. Схема энергетических уровней .

Верхний уровень имеет более высокое время жизни. Поэтому даже при одинаковой скорости накачки верхнего и нижнего уровней, в среде будет существовать инверсия населенностей. Схема уровней приведена на рис. 9.5.

Процессы возбуждения происходят в несколько стадий: вначале электронный удар вызывает ионизацию атома аргона, затем происходит его возбуждение до верхнего лазерного состояния. Такой двухступенчатый процесс возбуждения верхнего лазерного состояния должен приводить к квадратичной зависимости интенсивности спонтанного излучения с верхнего лазерного уровня

от плотности тока. Процесс заселения рабочизу уровней ионизированного аргона может вызываться также каскадными переходами с более высоких уровней.

Ионные газоразрядные ОКГ эффективно работают в непрерывном режиме при высоких температурах. В настоящее время ионные ОКГ на инертных газах являются самыми мощными источниками непрерывного когерентного излучения в видимом и ультрафиолетовом диапазоне (излучаемая мощность десятки ватт). Кроме этого существуют еще ионные ОКГ на парах различных химических элементов: кадмия, цинка, селена, йода и др. Эти ОКГ работают на смеси паров данного элемента с гелием. Они характеризуются меньшей величиной выходной мощности (десятки и сотни милливатт) и значительно меньшим пороговым током по сравнению с ионными ОКГ на инертных газах.

Благодаря высокой выходной мощности ионные ОКГ могут быть использованы в промышленности для резки и сварки тугоплавких материалов.