О С Кривець, О О Шматько, О В Ющенко - Квантова електроніка - страница 28

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37 

Оскільки процеси збудження пов'язані з електронними зі­ткненнями швидкість накачування у верхній стан буде про­порційна квадрату густини струму розряду. Густина струму до­сягає значень ( 1кА/см2). Іон Ar+ з рівня 4p може перейти на рівень 4s за допомогою швидкої (10-8 c) випромінювальної ре­лаксації. Релаксація з нижнього лазерного 4s рівня в основний стан Ar+ відбувається за час, який приблизно в 10 разів ко­ротший. Оскільки обидва рівні 4s і 4p насправді складаються з багатьох рівнів, аргоновий лазер може генерувати на багатьох лініях, серед яких найбільш інтенсивними є зелена (514 нм) і
Основний стан


Ar+ 31)5Рисунок 7.15 Спрощена схема енергетичних рівнів іона Ar+

 

 

 

синя (448 нм).

Типові потужності для комерційних лазерів становлять 20 — 30 Вт, як із селекцією, так і без неї. Унаслідок високої темпе­ратури в області розряду переважним є доплерівське розшире­ння, яке досягає 6 ГГц. Істотним недоліком аргонового лазера, так як і всіх іонних лазерів, є малий ККД (0,01 - 0,1%).

Вихідна потужність Ar+- лазера швидко зростає, майже за квадратичною залежностю, зі збільшенням струму розряду і на відміну від гелій-неонового лазера не відбувається її насичення. Це реалізується завдяки ефективному спустошенню нижнього лазерного рівня.

При подальшому збільшенню густини струму розряду аргон може подвійно іонізуватися, для чого необхідна енергія 43 еВ. Приблизно на 25 — 30 еВ вище основного стану Ar2+ існують лазерні рівні, які дозволяють генерувати УФ випромінювання на 334, 351 та 364 нм з потужністю декілька ватів. Ці лазери потребують збільшених струмів та більш потужних магнітних фокусувальних систем, спеціальної оптики і систем охолодже-

ння.7.5.3.   Молекулярні лазери на CO2

 

Значне місце серед газових лазерів займають молекулярні ОКГ, тобто лазери, активним середовищем яких є молекуляр­ні гази. Детальний аналіз конструкцій, механізмів збудження та створення інверсійної заселеності в молекулярних лазерах мо­жна знайти в [17]— [19], [22], [32] та ін.

Молекулярні лазери використовують переходи між енерге­тичними рівнями молекули, які є більш різноманітними, ніж у атомів та іонів. Це пов'язано з тим, що рух у молекулах є більш складним. Разом із рухом електронів відносно ядер атомів, що утворюють молекулу, відбувається рух самих ядер біля їх рів­новажного положення та обертального руху молекули в ціло­му. Як відомо, кожен обмежений рух у мікросвіті квантується, що і призводить до виникнення відповідних рівнів енергій [18] за рахунок розщеплення стаціонарних станів атомів при мало­му збуренні. Таким чином, трьом типам руху молекули еле­ктронному, коливальному та обертальному відповідають три типи квантових станів та рівнів енергії. Повна енергія молеку­ли Emol має значення, що відповідає електронно-коливально-обертальному стану. Ця енергія може бути подана як сума квантових значень: Emol = Ee + Ekol + Eobert. Між ними існує співвідношення Ee : Ekol : Eobert = 1 : \Jme/M : me/M, де me і M відповідно маси спокою електрона та сумарна маса ядер, що утворюють молекулу.

Різноманітність внутрішніх рухів молекули відкриває но­ві канали релаксації, що й використовується для ефективного спустошення нижніх лазерних рівнів [22]. Крім цього, багато-модовість коливного спектра молекули дозволяє розділити ка­нали збудження та генерації.

За типом переходу, що використовується для генерації, мо­лекулярні ОКГ діляться на три класи.

1. Лазери на коливально-обертальних переходах, які ви­користовують переходи між коливальними рівнями одного (як
правило, основного) електронного стану. Оскільки відстань між
коливними рівнями має порядок десятих та сотих електрон-
вольтів, то ці лазери працюють у середньому ІЧ- діапазо-
ні                
= 5 — 300 мкм). Найбільш важливі представ-
ники
це CO2 - лазери = 10,6 і 9,5 мкм); хімічний HF-
лазер      = 2,7 — 3,3 мкм); CO -лазер = 5 мкм).

2.   Лазери на електронно-коливальних переходах, у яких використовуються переходи між коливальними рівнями різних електронних станів. Діапазон генерації УФ область спектра. Найбільш важливий представник азотний N2 ОКГ =337 нм).

3.   Лазери лише на обертальних переходах. Використовую­ться переходи між різними обертальними рівнями одного ко­ливального стану (як правило, збудженого коливального рівня основного електронного стану). Діапазон генерації далекий ІЧ- діапазон =25 мкм — 1 мм). їх роль не є значною.

Газорозрядний лазер на CO2. Лазери на CO2 є найбільш важливими газовими лазерами, які широко використовуються в технологічних процесах, медицині, обробці матеріалів, зв'язку та інших галузях. Це визначається тим, що вони мають високий ККД на рівні 30%, здатні генерувати великі потужності в безпе­рервному та імпульсному режимах і спектр їх випромінювання збігається із вікнами прозорості атмосфери [22].

За конструкцією газорозрядні лазери на CO2 майже не від­різняються від конструкції He-Ne та Ar+ лазерів. У них відсу­тня капілярна розрядна трубка, але в потужних лазерах вико­ристовується водяне охолодження. Використовуються лазери з поздовжнім та поперечним розрядами, відпаяні та з поперечним або поздовжнім прокачуванням газу, низьким або високим ти­ском газової суміші.

Молекула CO2 є лінійно-симетричною і в ній можли­ві три коливальні рухи, які породжують три коливальні мо­ди: симетричну валентну; деформаційну; асиметричну валентну (рис. 7.16 а). Коливні стани молекули описуються трьома кван­товими числами: q\,q2,q3, які визначають кількість квантів із власними частотами v\,v2,v3 у кожній коливній моді [22]. Де­формаційна мода є подвійно виродженою, а кратність виродже­ння вказує верхній індекс.
а)Рисунок 7.16 Типи коливань молекули CO2 (а) та спрощена схема енергетичних рівнів молекул CO2 і N2(6)

 

 

Схема робочих енергетичних рівнів CO2- лазера подібна до схеми He-Ne- лазера (узагальнена трирівнева схема другого роду). Але за ефективністю перетворення енергії вона переви­щує He-Ne в тисячу разів. Причиною цього є оптимальність схеми енергетичних рівнів CO2 (рис. 7.16 б), що дозволяє за­трачувати на генерацію одного фотона лише вдвічі більшу енер­гію (в 20—40 разів для He-Ne та Ar+- схем). Крім цього, в схе­мі молекули CO2 відбувається ефективне заселення верхньоголазерного рівня, в тому числі за рахунок допоміжного газу N2, та ефективне спустошення нижнього лазерного рівня, викори­стовуючи додатковий газ He.

Заселення верхнього лазерного рівня (0001) (рис. 7.16 б) відбувається за рахунок трьох процесів.

1.   Зіткнення з електронами, при якому CO2 збуджується з рівня (0000) на рівень (0001) (процес 1 на рис. 7.16 б).

2.   Резонансна передача енергії від збудженої молекули N2 до молекули CO2, що призводить до переходу електрона з основного стану (0000) на рівень (0001) (процес 2 на рис. 7.16 б), а N2 переходить із збудженого в незбуджений стан. За енергією вільних електронів порядку 2 еВ та їх концентрації по­рядку 1010 см-3 можуть бути збуджені 40—80% молекул N2. Крім того, вищі рівні молекули N2 (q = 2, 3, 4, 5,...) знаходяться в резонансі з відповідними рівнями молекули CO2, що призво­дить до виникнення третього каналу заселення рівня (0001).

3.   Зіткнення збудженої молекули CO2, що знаходиться в стані q = 2, 3, 4, 5, ... з незбудженими молекулами CO2 призво­дить до поступової з кожним зіткненням релаксації збудженої молекули до стану (0001) при переході незбуджених молекул у стан збудження на верхній лазерний рівень (0001).

Спустошення нижнього лазерного рівня також відбувається завдяки кільком процесам.

1.    Перший збуджений рівень (0110) деформаційної моди ефективно релаксує при зіткненнях із атомами He, що істотно зменшує час життя до 20 мкс. Крім цього, He є легким газом з високою теплопровідністю й ефективно охолоджує CO2 газ, передаючи тепло стінкам газової колби.

2.    Другим механізмом спустошення нижнього лазерного рівня є релаксація між обертальними проміжними рівнями основного електронного стану молекули CO2.

У сукупності всі вищезазначені процеси обумовлюють най­вищий серед газових лазерів ККД CO2- лазера. Оптимальнеспіввідношення газів CO2:N2:He коливається від 1:1:8 для ла­зерів низького тиску, до 1:1:1,5 для лазерів високого тиску. Ла­зер генерує в області двох спектральних ліній — 10,6 мкм та 9,6 мкм. Перша радіаційна лазерна лінія має більший коефі­цієнт підсилення і, відповідно, виникає першою. Для генерації в області другої лінії необхідно використовувати додаткові засо­би селекції.

Потужність газорозрядних CO2- лазерів із поздовжнім на­качуванням становить 50 — 100 Вт/м при діаметрі трубки 1,5 см. Потужні промислові CO2- лазери в безперервному режимі здатні генерувати випромінювання в десятки кіловатів, а в ім­пульсному до 1014 Вт з тривалістю імпульсу менше 1 нс.

Газорозрядні трубки CO2- лазерів мають діаметр від 2 до 10 см, довжина досягає кількох метрів. Можуть використову­ватися модульні конструкції зі струмом розряду до кількох ам­перів при напругах до 10 кВ на секцію. Оскільки потужність CO2- лазерів безперервної дії досягає високих значень, то ви­никає проблема довговічності дзеркал резонатора. Використо­вують покриті золотом сапфірові або металеві дзеркала. Іноді виведення енергії реалізується через отвір у центрі дзеркала ре­зонатора.

У газовому розряді відбуваються розігрівання газу та дисо­ціація молекул, особливо CO, що істотно погіршує роботу ла­зера. Для протидії цьому використовують прокачування газової суміші через розрядну трубку та використовуються каталізато­ри, які регенерують молекулу CO2 з молекул CO. Як каталіза­тори використовують пари води в кількості 1% та нагрітий до 300°С нікелевий катод. При отриманні потужностей у декілька кіловатів при безперервному режимі швидкість прокачування газу перевищує швидкість звуку.

Газодинамічний лазер на CO2. Уперше він був запропо­нований та реалізований А. М. Прохоровим та В. К. Конюхо-вим у 1968 р. Є особливим типом лазерів, що використовує не­електричний методнакачування. Інверсійна заселеність уньому створюється завдяки адіабатичним процесам: швидкого роз­ширення, попередньо розігрітого до високої температури, газу. Розігрів забезпечується згорянням у камері згорання та стиску­ванні суміші газів CO2 + N2 + H2 O, що проходить з надзвуко­вою швидкістю через сопло діаметром меншим 1 мм. Після сти­скування в дифузорі газ розширюється, що призводить до його швидкого охолодження. Підсилення виникає за рахунок різни­ці швидкостей процесів релаксації нижнього та верхнього ла­зерних рівнів підчас проходження газу через надзвукове сопло. Такий спосіб дозволяє генерувати найбільші потужності випро­мінювання [17]— [19], [22], [32], [33]. Цей тип лазера дозволяє безпосередньо перетворювати теплову енергію в енергію коге­рентного випромінювання.

Активним середовищем у таких лазерах є газові суміші мо­лекул CO2 та CO, N2 та N2O, O2,H2O та He,Ne,Ar,Kr. В основному газодинамічні лазери використовують газову суміш N2(80-90%) об'ємних часток, CO2 (5-10%) і пари H2O (1-2%)

[17].

Принцип роботи та загальну конструкцію газодинамічного лазера пояснено на рис. 7.17.

Газова суміш після згорання підтиском, близько 17 атм ви­пускається через надзвукові сопла з діаметром близько 0,8 мм зі швидкістю 4 одиниці Маха. Конструктивно камера згорання та дифузор є подібними до прямопоточного реактивного двигу­на. У високотемпературній камері газ знаходиться в стані тер­модинамічної рівноваги. При цьому близько 10% молекул CO2 знаходяться в збудженому стані (0001) (рис. 7.16 б), а заселе­ність нижніх рівнів є вищою: нижні лазерні рівні (0200) і (1000) близько 17%, а основний (0000) близько 75%. Після прохо­дження через сопло, газ адіабатично розширюється і його тем­пература різко знижується з 1500° К до 300° К. Заселеність рівнів намагатиметься наблизитися до нового значення енер­
б)

Рисунок 7.17 Принцип роботи газодинамічного лазера на С02: спрощена конструкція (а); конструкція сопла та якісні залежності заселеностей верхнього та нижнього лазерних рівнів молекули С02 залежно від відстані до дифузора. 1 камера згоряння; 2 дзеркала резонатора; 3 вихідне лазерне випромінювання; 4 дифузори (сопла)

 

 

 

гій, що відповідає новому стану термодинамічної рівноваги. А оскільки час життя верхнього лазерного рівня є більшим зачас нижнього, то через деякий час у потоці газу реалізується стан інверсійної заселеності (рис. 7.17 б). Довжина цієї актив­ної області буде визначатися часом передачі збудження від мо­лекул N2 молекулам С02, що підтримує інверсійну заселеність. Якщо перпендикулярно до потоку збудженого газу розмістити дзеркала резонатора в активній області, то можна отримати по­тужну генерацію.

Газодинамічні лазери досягають сотень кіловатів у майже безперервному режимі генерації при ККД одиниці відсотків. При високих потужностях лазер працює частки одиниці се­кунд для запобігання руйнуванню оптичних елементів під дією лазерного випромінювання.

У резонаторі виникають особливі види втрат: винесення із його об'єму збуджених частинок азоту та втрати випромінюва­ння в неоднорідностях турбулентного потоку [17].

Є відомості про розроблення газодинамічного лазера, який використовує накачування вибухом газової суміші та твердо­го палива, що можуть генерувати в імпульсному режимі. Як правило, використовуються при термічних технологіях та для обробки великих поверхонь. У [3] зазначалося на пропозиції використання газодинамічних лазерів для знешкодження на­фтових плівок великих площин на поверхні води.

 

 

7.5.4.   Молекулярні ексимерні та хімічні лазери

Ексимерні лазери належать до молекулярних лазерів на електронно-коливних переходах. У них використовуються ква-зімолекули дімери, які можуть існувати лише в збудженому стані й отримали скорочену назву ексимерів (exited сіітег) [17]— [19], [22], [32], [33].

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37 


Похожие статьи

О С Кривець, О О Шматько, О В Ющенко - Квантова електроніка