СО2-ЛА́ЗЕР
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
Книжная версия:
Электронная версия:
СО2-ЛА́ЗЕР, газовый лазер, генерирующий излучение на переходах между колебательными уровнями молекулы диоксида углерода. Мощность генерации в среднем ИК-диапазоне в непрерывном режиме – от долей Вт до МВт, кпд – до 25%. Применяется в обработке материалов, медицине, селективной химии (в т. ч. для разделения изотопов), связи, локации, сопровождении и поражении целей и др.
Принцип действия
Принцип действия СО2-л. связан с особенностями обмена энергией молекулярных колебаний при столкновениях молекул. В молекуле СО2 можно выделить группы уровней, соответствующих антисимметричным, симметричным и деформационным колебаниям (модам). При столкновениях молекул обмен квантами в пределах одной моды происходит с частотой, как правило превышающей частоты их возбуждения и дезактивации. Вследствие этого в каждой из мод устанавливается больцмановское распределение населённостей уровней, характеризуемое индивидуальной колебат. температурой. Различие этих температур из-за разных скоростей дезактивации мод приводит к возникновению инверсии населённостей между блоками уровней, принадлежащих разл. модам. Важную роль играет добавление молекул азота N2, которые эффективно передают энергию собств. колебаний в антисимметричную моду СО2. Реализация условий инверсии зависит от способа возбуждения, подбора частиц, смешиваемых с СО2, обеспечения оптимального теплового режима и др. В результате реальные СО2-л. представляют собой семейство разл. устройств.
Газоразрядные СО2-лазеры
Газоразрядные СО2-л. Наиболее широко для создания СО2-л. используется газовый разряд, при котором электрич. энергия преобразуется в энергию колебаний молекул; эффективность преобразования 70–80%. Различают лазеры непрерывного и импульсного действия.
В лазерах непрерывного действия используются разряды постоянного тока или ВЧ- и СВЧ-разряды. Часть электрич. мощности рассеивается и повышает темп-ру активной среды. Для оптимальной мощности накачки темп-ра должна составлять 400–500 К, при 700–800 К инверсная населённость исчезает и необходим отвод тепла. Охлаждение производится либо при диффузии частиц к стенкам (лазерное диффузионное охлаждение, ЛДО-лазеры), либо за счёт конвекции при прокачке газа (лазерное конвекционное охлаждение, ЛКО-лазеры).
Для ЛДО-лазеров с разрядными трубками характерна мощность 50–70 Вт/м при кпд 10–15% и давлениях газа ок. 103 Па. Для усиления отвода тепла в газовую смесь добавляют теплопроводный гелий. Для достижения мощности 1–10 кВт необходимо применять разрядные трубки большой длины или их параллельные секционные сборки. В обоих случаях размеры конструкций велики, если используются классич. открытые резонаторы. Проблема миниатюризации решается с помощью волноводных лазеров, в которых стенки активной среды являются частью резонатора. При использовании разрядов в капиллярных каналах с поперечным размером 1–2 мм и повышенных давлениях газа (ок. 104 Па) мощность лазера ок. 1 Вт/см. Для увеличения мощности волноводных лазеров применяются конструкции с ВЧ- или СВЧ-разрядом поперёк узкого промежутка между плоскостями; при этом мощность генерации достигает ок. 25 кВт/м2.
В ЛКО-лазерах газ может прокачиваться вдоль разрядной трубки или поперёк разрядной камеры, время смены газа в активном элементе должно быть меньше времени диффузии к стенкам. При продольной прокачке достигается мощность 1 кВт/м. При поперечной прокачке объёмы разрядных камер достигают десятков литров, предельная мощность генерации определяется устойчивостью разряда и составляет 2–5 Вт/см3.
Импульсные газоразрядные СО2-л. работают при повышенном давлении газа (атмосферном и выше). Для возбуждения используют самостоят. и несамостоят. разряды. В первой версии в газе с помощью внешних УФ или рентгеновских источников предварительно создаётся слабая однородная ионизация. Затем осн. вклад энергии происходит при наложении электрич. поля, обеспечивающего лавинную ионизацию. При использовании несамостоят. разряда через газ пропускается электронный пучок с энергией 100–300 кэВ. К активной среде также прикладывается внешнее электрич. поле, обеспечивающее вклад энергии в ионизованную среду. Первая версия проще в технич. отношении, в ней достигается удельная энергия генерации 40–60 Дж/л при объёмах активной среды в несколько литров. Во второй версии реализованы лазеры с объёмом активной среды в сотни литров и энергией генерации несколько кДж, это сложные установки.
Газодинамические СО2-лазеры
В равновесном нагретом газе возбуждены поступательные, вращательные, колебательные и электронные степени свободы частиц. При быстром охлаждении из-за разл. скоростей релаксации разных степеней свободы отд. виды движения приходят к равновесию за разное время. В газодинамических (ГДЛ) СО2-л. используется то обстоятельство, что разл. колебат. моды приходят к равновесию также с разл. временами, что приводит к появлению инверсной населённости колебат. уровней. ГДЛ прямо преобразует тепло в когерентное излучение. Недостаток ГДЛ – низкий кпд (Q 1%). Получение высокой мощности W генерации требует больших затрат мощности на нагрев газа при его массовом расходе на уровне W=10 кВт/(кг/с). Мощные ГДЛ базируются на территориях спец. комплексов, бортах крупных кораблей, в спец. технологич. зонах. Мощности генерации в квазинепрерывном режиме достигают сотни кВт и более.
Химические СО2-лазеры
Инверсия создаётся непосредственно за счёт химич. реакций с образованием возбуждённых молекул. Примером может служить CO2-л. на фторе и водороде (или дейтерии). Добавление СО2 существенно повышает мощность генерации (на длине волны 10 мкм) за счёт передачи возбуждения DF* в колебания СО2. Лазеры этого типа по мощности сопоставимы с ГДЛ.
Спектры СО2-лазеров и управление ими
Для применения лазеров важен, кроме мощности, спектр излучения. В СО2-л. получена генерация на ряде полос в среднем ИК-диапазоне. Наиболее мощные и известные – осн. переходы с центрами 10,4 и 9,4 мкм. Колебат. полосы имеют тонкую вращат. структуру, и генерация получена на нескольких тысячах колебательно-вращат. переходов СО2. Генерации одновременно на многих колебательно-вращат. линиях препятствует конкуренция переходов. Если на переходе с наибольшей инверсией и усилением возникает генерация, то в результате насыщения среды усиление для более слабых переходов становится ниже порогового. Чтобы получать генерацию на таких переходах, используются резонаторы с частотно-зависимыми потерями при помещении в них призмы, замене зеркала дифракционной решёткой, установке внутреннего интерферометра и т. д. Разработаны методы стабилизации и управляемой непрерывной перестройки частоты в пределах выделенного колебательно-вращательного перехода. Возможности перестройки частоты важны для спектроскопии, связи, локации.