авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |

«Р. Ровинский Мощные технологические лазеры В книге рассматриваются физические и технические основы построения мощных технологических лазеров, а также ...»

-- [ Страница 2 ] --

В области столба разряд заполняет все сечение трубки, если её радиус ограничивается условием: le R. Обычно речь идет о радиусе порядка 1,5 см. Сразу после включения разряда протекает процесс диффузии электронов на стенки трубки, в результате на них возникает отрицательный заряд, создающий поперечное электрическое поле. Это поле тормозит, а затем и полностью прекращает диффузию одиночных электронов на стенки. Но возникает новый тип диффузии, получивший название амбиполярной диффузии. Электроны объединяются, но не рекомбинируют, с ионами и в таком парном нейтральном единстве движутся к стенкам, где рекомбинируют и отдают стенкам тепло. Это тепло через стенки должно выноситься в окружающую среду.

Особенности классического тлеющего разряда таковы, что не могут обеспечить получения больших мощностей в лазерном луче. В дальнейшем будет показано, что проблему увеличения мощности СО2 лазера удалось решить благодаря открытию разновидности тлеющего разряда, при которой основные его особенности – диффузная форма разряда, отрыв электронной температуры от температуры молекул газовой среды, удалось сохранить при высоких давлениях и больших токах. При такой форме разряда объемные процессы ионизации и рекомбинации протекают в объеме положительного столба, а вынос тепла осуществляется потоком газа через зону разряда, не вовлекая в эти процессы стенки разрядной камеры. В этой связи имеет смысл рассмотреть основные особенности газоразрядных процессов, возникающие не только при классической форме тлеющего разряда.

Прикладываемое к электродам разрядного промежутка напряжение вызывает протекание электронного тока от катода к аноду и ионного тока в обратном направлении. Направленное движение зарядов накладывается на хаотическое (тепловое) движение всех газовых частиц. Основную энергию от продольного электрического поля получают электроны, но дальнейшее их движение сопряжено с взаимодействиями с тяжелыми частицами газовой среды, протекающими как упруго, так и неупруго, что сопровождается изменениями движения и обменом энергией с этими частицами. В таких условиях направленная составляющая движения зарядов (ток) проявляется как относительно слабый дрейф зарядов и этот эффект называют переносом зарядов, а характеризующий направленность коэффициент называют коэффициентом переноса. Оценка отношения скорости переноса к скорости теплового движения v:

(2.39) где Таким образом, скорость переноса на 2 порядка меньше скорости теплового движения частиц. В случае переноса электрических зарядов плотность тока и скорость переноса пропорциональны напряженности электрического поля :

(2.40) Коэффициент пропорциональности называют подвижностью, а коэффициент пропорциональности – удельной электропроводностью. Оба коэффициента связываются с микрохарактеристиками среды. Так, уравнение движения электронов (2.41) где заряд электрона е = 4,8.10–10 СГСЭ = 1,6.10–19 Кл в СИ, масса электрона me=9,1.10- грам., – частота столкновения электрона с другими частицами. В случае стационарности (установившееся горение разряда) dveпер /dt = 0 и (2.40a) откуда находится подвижность электронов:

(2.42) - в [c-1], то размерность будет [см2 /(В.с)]. Соответственно для Если размерность подвижности ионов получено соотношение:

(2.43) В таблице 2.3 приведены экспериментальные значения подвижности электронов в интересующих нас газах. Подвижность электронов всегда на несколько порядков больше подвижности ионов, то есть. В таблице 2.4 даны экспериментальные значения подвижности ионов в собственном газе, которые можно сравнить со значениями из предыдущей таблицы. Поскольку плотность электрического тока в разряде равна:

(2.43) С учетом (2.40), (2.43) и (2.42а) для удельной электропроводности находим:

(2.44) Если nе– в [см-3], а – в [с-1], то – в [Ом-1.см-1]. В литературе можно встретить вместо Ом-1 другое название единицы электропроводности – Сименс: См = Ом-1.

Таким образом, для определения удельной электропроводности плазмы, этой характеристики переноса электрических зарядов, необходимо знать частоту столкновений соответствующих частиц при их движении во внешнем электрическом поле. Эту частоту следует усреднить по всему ансамблю данных частиц, воспользовавшись функцией их распределения по скоростям. На подробностях такой процедуры здесь нет смысла останавливаться, она рассматривается в курсах физики плазмы, например в [4,5].

Таблица 2. Ион Газ He Общие представления о процессах, происходящих при электрических разрядах в газах, конкретизируются при рассмотрении положительного столба тлеющего разряда следующим образом. Характеристики столба вдоль оси меняются слабо, что позволяет считать градиент потенциала в этом направлении постоянным, не зависящим от общей длины столба: dU/dx = const. Отсюда следует, во-первых, что средняя энергия электронов также постоянна вдоль оси, то есть электронная температура постоянна Te(x) = const. Во-вторых, так как d2U/dx2= 0, то в каждой точке вдоль оси соблюдается условие квазинейтральности: ne = ni. В радиальном направлении не сохраняется однородность пространственного распределения параметров. Для оценочных прикидок параметров положительного столба тлеющего разряда можно воспользоваться приведенными соотношениями и экспериментальными данными, содержащимися в таблицах 2.3, 2.4.

Как отмечалось выше, рекомбинация наиболее активно происходит на стенках разрядной трубки, куда электроны и ионы попарно попадают в результате амбиполярной диффузии, поскольку объемная рекомбинация оказывается маловероятной. Что же собой представляет диффузия и, в частности, амбиполярная диффузия?

Диффузией в газе называют процесс перемещения заряженных или нейтральных частиц из области с большей их концентрацией в область с меньшей концентрацией.

Скорость диффузии частиц в собственном газе определяется соотношением:

(2.45) где n - концентрация частиц, а D – коэффициент диффузии. Если vд выражена в см/с, n – в см-3, то размерность D – см2 /с. При протекании диффузии только в направлении оси Х, ее скорость определяется соотношением:

(2.46) Из кинетической теории газов следует, что коэффициент диффузии ионов в собственном газе равен:

(2.47) Vi - средняя тепловая скорость ионов, li – длина их свободного пробега. Например, экспериментально определенное значение коэффициента диффузии ионов в азоте при давлении 1 тор равно ~ 23 см2/с, а в СО2 – 18 см2/с. Для электронов коэффициент диффузии выражается в такой же, как и для ионов, форме (2.48) Обычные значения De для интересующих нас газов порядка 105 см2/с, то есть DeDi.

Так как li~ T/p, то при Т = const имеем Dip = const, а при p = const Di ~ T3/2. Среднее перемещение иона за время t:

Из теории также вытекает, что коэффициент диффузии связан с подвижностью заряженной частицы соотношением Эйнштейна:

(2.49) Для ионов, температура которых примерно равна температуре нейтральных частиц, правая часть (2.49) приводится к виду:

(2.50) а для электронов, когда ТеТi, введение давления p невозможно, и для них соотношение сохраняется в виде (2.49) с заменой Т на Те.

В столбе тлеющего разряда под действием продольного электрического поля между электродами осуществляется диффузионный процесс переноса зарядов, создающий электрический ток разряда. При этом протекают процессы неупругих столкновений электронов с молекулами, сопровождающиеся возбуждением молекул газа.

Одновременно происходит диффузия заряженных частиц и в радиальном направлении, от оси разряда к стенкам. Радиальное поле тормозит движение электронов к стенкам и ускоряет движение ионов в этом направлении. При определенной концентрации избыточных электронов на стенке поле достигает такой величины, что скорости диффузии электронов и ионов уравниваются, частицы с разноименными зарядами начинают двигаться к стенке попарно и там рекомбинировать. Такой тип диффузии впервые изучил и теоретически описал Шоттки в 1924 году. Он же назвал такую диффузию амбиполярной.

Пусть выполняется условие: ]ne. Электроны и ионы движутся с одинаковой скоростью к стенке и эта скорость равна:

(2.51) Da - коэффициент амбиполярной диффузии. С учетом того, что и De Di имеем следующее выражение для определения Da:

(2.52) (правая часть соотношения получена с учетом формулы Эйнштейна). Напряженность радиального поля ЕR автоматически устанавливается на значении:

(2.53) где R – характерный масштаб градиента плотности зарядов, в данном случае – это радиус разрядной трубки.

Основные следствия теории положительного столба тлеющего разряда.

Теория положительного столба классического тлеющего разряда была разработана в своей основе в 20-е – 30-е годы предыдущего века. В положительном столбе заряженные частицы попадают под воздействие как аксиального, так и радиального электрических полей. Здесь коснемся лишь некоторых следствий теории, представляющих интерес для темы данной книги.

а) Радиальное распределение зарядов. Под действием радиального поля протекает амбиполярная диффузия заряженных частиц. Уход заряженных частиц из осевой зоны компенсируется их поступлением из зоны катодного объемного заряда и отчасти в процессах объемной ионизации, протекающей при неупругих соударениях электронов с молекулами. Частоту таких соударений обозначим через.

Уравнение баланса заряженных частиц записывается в форме:

(2.54) Его решением служит бесселева функция нулевого порядка Jo c действительным аргументом (2.55) где nо - концентрация заряженных частиц на оси разряда. У стенки (r=R) заряд очень мал, поэтому откуда из таблиц бесселевых функций получаем Подставив в (2.55) это значение, находим:

(2.55a) Таким образом, распределение зарядов по радиусу трубки близко к параболическому.

б) Связь электронной температуры с напряженностью аксиального электрического поля Ех [3]. Энергия электрона в столбе разряда определяется балансом, состоящим из получаемой им энергии от внешнего электрического поля и потерями энергии при столкновениях. Приобретаемая энергия:

и Теряемая энергия:

Здесь – доля теряемой электроном энергии при упругих соударениях. При. Так как mv2/2 = kT, то потери можно неупругих соударениях эта доля записать в виде. Уравнение баланса энергии для электрона выглядит так:

(2.56) Но vпер /vm ~ и, в конечном счете (2.57) в) Электронная температура. Введем обозначение:, где Vi – потенциал ионизации. Формула для определения Те как функции радиуса трубки R, давления газа р с учетом рода газа находится из соотношения для скорости ионизации в расчете на один электрон:

(2.58) Здесь – в см2 /(В.с), Те – в К.

a – эффективность ионизации, р – в тор, Vi – в вольтах, Для интересующих нас газов коэффициент эффективности ионизации «а» приведен в таблице 2.5.

Таблица 2. Расчет облегчается возможностью использования графика, представленного на рис.

2.7, где приведена зависимость Те /Vi от С.p.R [3].

2.8. НЕПРЕРЫВНЫЕ СО ЛАЗЕРЫ В 1964 году Пател запустил первый СО2 лазер. Достигнутый им успех определился двумя факторами: он использовал смесь СО2 и N 2 и применил для накачки такой смеси тлеющий разряд. Первые лазеры имели оформление, представленное на рис. 2.8.

Стеклянная или кварцевая трубка (1) выполняет три функции: 1) она отделяет разрядную полость с рабочим газом от окружающей воздушной атмосферы;

2)содержит электроды (4), обеспечивающие поддержание тлеющего разряда с заданными параметрами;

3) обеспечивает теплообмен, отводя выделяющееся в разряде тепло через стенки, и поддерживает тем самым нужный тепловой режим газовой смеси. СО2 лазеры такой конструкции называют диффузионными, так как тепло от разряда отводится процессом диффузии заряженных и нейтральных частиц к стенкам трубки. Для интенсификации радиального теплопереноса используют водяное охлаждение стенок, окружая их стеклянной водяной рубашкой (3). Торцы трубки герметично закрывают прозрачными для ИК-излучения выходными окнами (2).

Поскольку СО2 лазер генерирует излучение в диапазоне длин волн от 9 до 11 мкм (главным образом на волне 10, мкм), то стекло и кварц, как и некоторые другие оптические элементы, работающие в видимом и в ближнем ИК диапазонах излучения, для создания окон, прозрачных в этом диапазоне длин волн, непригодны, нужны особые материалы и о них речь впереди.

Характерные размеры первых СО2 лазеров: диаметр разрядной трубки от 1 до см, длина трубки до 2 м. При создании газоразрядного лазера необходимо решить три основные проблемы:

- проблема организации разряда в трубке (камере);

- проблема отвода тепла, выделяющегося в зоне разряда;

- проблема «порчи» газовой смеси, главным образом из-за диссоциации молекул в разряде: СО2 СО + О. Рассмотрим каждую из этих проблем.

Организация разряда складывается из следующих элементов:

- выбор компонентов газовой смеси и соотношений их парциальных давлений;

- выбор общего давления газа;

- выбор источника электропитания и его параметров;

- установление зависимостей параметров среды (Та, Те, коэффициент усиления среды на длине волны лазерного излучения, выходная мощность излучения) от геометрических размеров трубки (камеры), от состава газа, давления, интенсивности охлаждения, от плотности разрядного тока и напряженности электрического поля.

В лазерах диффузионного типа использовался типичный состав газовой смеси: СО2, N2, He. Нахождение оптимального соотношения парциальных давлений компонентов предпочтительно определяется экспериментально.

В качестве примера на рис.2.9 приведена экспериментальная зависимость концентрации инверсной населенности от парциального давления азота N2 при разрядном токе 30 мА, парциальном давлении двуокиси углерода Pco2= 2 Top в трубке диаметром 34 мм. В данном случае оптимум достигается при парциальном давлении азота Тор, то есть при значениях В других случаях это соотношение может быть иным, но не должно превышать ~ 3.

Выбор парциального давления гелия более свободен, и соотношение парциального давления Не к парциальному давлению СО2 колеблется от 1 до 10.

Общее давление газа, как было отмечено при рассмотрении тлеющего разряда, не должно превышать 10 Тор. Учитывая, что доля молекул СО2 в смеси газов не превышает 50%, а обычно из-за добавки гелия она существенно ниже, делаем вывод, что концентрация излучающих центров в активной лазерной среде довольно низкая.

Проблема отвода тепла из зоны разряда – одна из самых существенных при попытках повысить выходную мощность лазера. При напряженности электрического поля и плотности разрядного тока в каждом единичном объеме газа выделяется джоулево тепло. Температура газа, нагреваемого этим теплом, определяется из соотношения:

– теплоемкость при р = const, То – комнатная температура, – частота соударений электрона с атомом (слабо ионизованная плазма) или с ионом (сильно ионизованная плазма), Wохл – энергия, уносимая из зоны разряда в процессе охлаждения.

При радиальном охлаждении в режиме диффузии эта энергия не велика, что накладывает жесткие ограничения на предельно допустимые значения R, p, j, а также на предельную мощность излучения, которую можно достигнуть в лазере данного типа.

Электронная температура в тлеющем разряде, как уже говорилось, достигает порядка 2 эВ. Что же касается предельно допустимой температуры нагрева газа, то представление о ней можно получить из графика, приводимого на рис. 2.10.

График отображает зависимости скорости обмена колебательной энергией К Т между молекулами N2 и СО2, скорости релаксации верхнего лазерного уровня молекулы СО2, и скорости релаксации верхнего колебательного уровня молекулы N 2. В сочетании с возрастающей интенсивностью термического заселения нижних лазерных уровней молекулы СО2 это ведет к резкому снижению инверсной населенности или к полному ее исчезновению.

Выбор параметров источника питания. Блок – схема источника питания непрерывного СО2 лазера представлена на рис.2.11. Потребляя напряжение от сети электропитания 220/380 вольт переменного напряжения, он состоит из регулятора напряжения (1), высоковольтного трансформатора (2) и высоковольтного выпрямителя (3). Отдельным блоком в источник питания входит прибор инициирования разряда (4). Инициирование разряда представляет собой особую задачу, для реализации которой используют, кроме отдельного блока питания, поджигающий электрод, входящий в состав разрядной трубки. Система поджига создает импульс высокого напряжения, способный обеспечить пробой холодного газа в разрядном промежутке, либо создается высокочастотный импульс, способный обеспечить предварительную ионизацию газа в этом промежутке.

Параметры основного источника питания определяются электрическими свойствами разрядного промежутка в процессе горения в нем разряда и необходимыми пределами их изменения. Формирование требований к источнику питания опирается, как минимум, на знание вольтамперной характеристики (ВАХ) разряда. ВАХ зависит от геометрии разрядной трубки (камеры), от состава и давления газов, от степени ионизации плазмы (от электропроводности). Учет всех факторов, влияющих на ВАХ, в принципе может быть осуществлен расчетным путем, но это сложный и не всегда надежный путь.

Поэтому чаще предпочитают находить ВАХ экспериментально для каждого конкретного устройства. Качественное представление о характерных особенностях ВАХ диффузного СО2 лазера можно получить на конкретном примере, представленном на рис. 2.12.

Эти зависимости получены при следующих параметрах лазера: диаметр разрядной трубки 20 мм, общее давление газовой смеси р = 2,5 Тор. Кривая (1) получена в условиях, когда использована смесь только двух газов – СО2 и N2 при отношении парциальных давлений ;

кривая (2) – это ВАХ при наполнении трубки тремя газами с отношением парциальных давлений: Общее.

давление газа и разрядный ток те же, что и при получении кривой (1). Обе зависимости падающие, то есть с повышением разрядного тока напряжение на разрядном промежутке уменьшается. Для нормального поддержания разряда при таком характере ВАХ необходимо ставить во внешнюю электрическую цепь балластное сопротивление.

С ростом разрядного тока растет концентрация электронов и увеличивается электропроводность газа. Качественно представление о характере такого роста дает экспериментальный график на рис. 2.13. Зависимость ne от ip получена в тех же условиях, что и ВАХ на рис. 2.12. Но следует иметь в виду, что возможности повышения тока в тлеющем разряде ограничены пределами, о которых говорилось ранее.

2.9. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ МОЩНОСТИ СО2 ЛАЗЕРОВ Рассмотрим идеальный случай, когда мощность СО2 лазера определяется соотношением:

(2.59) Здесь – квантовый к.п.д. молекулы СО2, – концентрация этих молекул в разряде, Е001 – энергия верхнего лазерного уровня, V – объем активной среды, время опустошения нижнего лазерного уровня. Для конкретной лазерной системы соотношение (2.59) определяет ее предельную выходную мощность, превзойти которую принципиально невозможно. Действительно, квантовый к.п.д.

= Еизл/Е001 определяет предельно возможное отношение излучательной энергии Еизл к энергии верхнего лазерного уровня, иначе, к энергии накачки, и для данной молекулы это есть постоянная величина. Для молекулы СО2 = 0,41. Величина Е001 для молекулы СО2 равна 0,3 эВ. В соотношении (2.59) полагают, что вся энергия накачки расходуется только на возбуждение верхнего лазерного уровня. Варьировать можно лишь тремя параметрами: концентрацией молекул СО2, объемом разрядной области V и величиной, которая напрямую зависит от интенсивности отвода тепла, иначе говоря, от интенсивности охлаждения газа. В непрерывном лазере заменяют на время отвода тепла, выделяемого в зоне разряда, во внешнюю среду.

Рассмотрим работу лазера в диффузионном режиме. Экспериментальные данные показывают, что минимальное время отвода тепла = R/u, где R – радиус трубки, u – равно ~ 5.10–2 с. Подставив это значение вместе скорость дрейфа частиц к стенкам, с константами и Е001 в (2.59), получим:

Pmax / V = 0,1Вт.см2 (2.60) R2L, где L – длина разрядного промежутка. Как показывает опыт, Далее, V = увеличивать радиус трубки свыше определенного предела невозможно, поскольку это ведет к увеличению времени и резкому ухудшению вывода тепла, то есть к наступлению перегрева газа в разрядном промежутке. Практика показывает, что предельный радиус разрядной трубки не может превышать 1,5 см. С учетом сказанного, увеличивать объем разрядной области в трубке можно только за счет увеличения длины, но не поперечного сечения. Тогда предельная мощность диффузионного лазера на единицу длины примерно равна Но у реальных лазеров в лучшем случае достигают примерно половину этой величины. Таким образом, единственный путь повышения мощности диффузного лазера – увеличивать его длину. Например, для получения мощности излучения порядка 1 кВт длину разрядной части лазера необходимо сделать не менее 30 метров.

В начальный период создания СО2 лазеров было предложено «складывать» длинные трубки в виде колен, как схематично показано на рис. 2.14.

Связь между коленами осуществляется поворотными зеркалами или призмами. Такой вариант сложения длинных трубок применяется и в наши дни в некоторых конструкциях непрерывных СО2 лазеров малой и средней мощности, выпускаемых промышленностью. Например, лазер мощностью 100 Вт под названием «Киль» имеет 8 колен, каждое из которых представляет собой трубку длиной примерно 40 см.

Каждая трубка снабжена отдельными электродами и питается от отдельного источника электроэнергии, то есть источник питания разбивается на отдельные секции по числу «колен».

Повышение мощности за счет интенсификации охлаждения быстрой прокачкой газа. Поскольку диффузный режим исчерпал свои возможности повышения удельной мощности лазера, выход из тупика был найден на путях интенсификации охлаждения газа. Пришлось отказаться от метода естественного радиального отвода тепла, не требовавшего дополнительных технических устройств, и перейти к системам прокачки газа через разрядный объем вдоль оси трубки. Подобный метод получил название продольной прокачки газа. Один из вариантов подобной системы приведен на рис. 2.15.

Проток газа через трубку в продольном (осевом) направлении позволяет снизить входящее в соотношение (2.60) время отвода тепла по сравнению с диффузионным режимом более чем на порядок, так что c.

Соответственно возрастает удельная мощность излучения, снимаемая с единицы длины трубки, она достигает нескольких сотен ватт на метр длины. Скорости потока газа вдоль оси трубки достигают 50 м/с и более.

При конструировании систем прокачки газа необходимо знать предельный энерговклад на единицу массы газа qmax, при котором тепловой режим в разряде не превысит критического уровня, то есть ~ 400 К. Эта величина определяется условием:

где cp– теплоемкость газа при постоянном давлении, – максимально допустимый прирост температуры газа, не приводящий к превышению критического уровня, – к.п.д. лазера по вводимой мощности, равной:

Pизл – излучаемая мощность. Энерговклад на единицу массы газа определяется соотношением где – массовый расход протекающего газа, – скорость прокачки.

Необходимо выполнение следующего условия:

Оценки показывают, что при продольной прокачке qmax 700 Дж.

Поперечная прокачка. Дальнейшая интенсификация охлаждения активной среды и подъем на этой основе мощностного предела СО2 лазеров стали возможными в результате внедрения двух принципиально новых физико-технических решений.

Первое состояло в реализации идеи замены продольной прокачки газа через разрядную область на поперечную прокачку. Второе решение – одновременное введение поперечного электрического разряда. Совместное использование этих двух решений совершило революционные изменения в развитии СО2 лазеров, и не только их. Так, вместо выглядевших архаично стеклянных разрядных трубок стали применяться разрядные камеры с большим поперечным сечением разрядной зоны, изготавливаемые из пластмасс, стеклопластиков или металлов с внутренней футеровкой стенок. За счет увеличения поперечного сечения разрядной зоны объемы активной среды удалось увеличить, не меняя при этом существенно длины лазера. Но, конечно, пришлось пожертвовать простотой технических решений. Пример устройства лазера с поперечным электрическим разрядом и прокачкой газа схематично показан на рис. 2.16.

К разрядной камере (1) пристыковывается газодинамический тракт (3), в состав которого входит теплообменник (4), вентилятор (5) и аэродинамическая решетка (6), выравнивающая поток газа перед его вхождением в зону разряда. Поперечный поток газа и поперечный электрический разряд располагаются во взаимно перпендикулярных плоскостях. Поперечная прокачка обеспечивает существенное сокращение времени выноса тепла из зоны разряда и позволяет несколько поднять скорость прокачки газа, но не слишком сильно, так как возникает опасность «выдувания» разряда потоком газа.

Тем не менее, оба фактора позволяют увеличить предельную мощность в несколько раз по сравнению с системами продольной прокачки газа.

Устройство разрядного промежутка лазера, схематично изображенного на рис. 2.16, рассмотрим на конкретном примере. Для этого воспользуемся описанием непрерывного лазера, созданного в Новосибирском институте прикладной механики АН [7]. Вынесенная из камеры электродная система схематично изображена на рис. 2.17.

Электроды выполнены из медных полированных трубок диаметром 10 мм и длиной см. Трубки изнутри охлаждаются водой. Расстояние между анодом и катодом варьируется в пределах от 4 до 8 миллиметров. Падение напряжения на разрядном промежутке составляло 1 кВ. Обозначенный стрелками поток газов ограничивается выполненными из стекла дефлекторами. Рабочее давление в камере в этом конкретном случае доводилось до 50 Тор, но наиболее приемлемый интервал составлял от 10 до 20 Тор. Скорость потока газов – до 50 м/с.

Особого внимания заслуживает факт использования в этой установке вспомогательного электрода (3), питавшегося от высокочастотного источника тока и создававшего в разрядном промежутке, наряду с основным разрядом, дополнительный ВЧ разряд между этим электродом и анодом (2). Вспомогательный электрод располагался параллельно основным электродам на удалении 2 см от катода (1). По мнению авторов разработки, ВЧ разряд (его частота равнялась 1,5 МГц) очищал поверхности медных электродов от возникавших на них окисных пленок, чем обеспечивалось стабильное горение основного разряда. Одновременно создавалась возможность подъема давления газа в камере, которое от 2 до 5 раз превышало предельное давление в классическом тлеющем разряде. На самом деле, как станет ясно из дальнейшего обсуждения проблемы повышения удельной мощности СО лазера, ВЧ разряд содействовал возникновению нового типа тлеющего разряда, отличного от классического. Максимальная выходная мощность излучения такого непрерывного лазера достигала 800 Вт.

Системам с поперечной прокачкой газа наряду с наглядными достоинствами присущи и определенные недостатки. Прежде всего, необходимо учитывать смещение зоны разряда в потоке газа от центрального положения, так называемый эффект «выдувания». Например, при скорости потока 50 м/с смещение разряда по потоку составляет 3 см. Поскольку величина смещения зависит от скорости потока, то изменение этой скорости в процессе работы лазера приводит к его разъюстировке (зеркала остаются неподвижными). Далее, при создании такого лазера необходимо обеспечивать достаточно высокие требования к газодинамике прокачного тракта, поскольку неравномерности газового потока по сечению и во времени нежелательны.

Наконец, в режиме непрерывной генерации стабильность разряда обеспечивается в довольно узком интервале давлений газа, силы разрядного тока, соотношения компонентов газовой смеси. Поэтому применяются различные способы повышения стабильной работы таких лазеров. Один из примеров – использование вспомогательного ВЧ – разряда. Известны и другие способы, применение которых не всегда дает желаемые результаты. Например, для стабилизации пробовали использовать магнитное поле, ориентированное так, чтобы движение электронов и ионов под его воздействием было направлено навстречу потоку газа. Тогда подбором напряженности магнитного поля в принципе можно скомпенсировать снос заряженных частиц.

Например, в разряде с составом рабочей смеси СО2 : N2: He = 1 : 1,2 : 4 при общем давлении р 19 Тор и Е/р 18 В/(см.Тор) расчётом получают: /u = 10 Гс с/м.

Применение поперечной прокачки газа позволило до конца использовать возможность повышения предельной мощности СО2 лазеров за счет интенсификации охлаждения разрядного промежутка. Дальнейшее движение в этом направлении предполагает, согласно (2.60), повышение концентрации молекул СО2, то есть повышение общего давления газа. Но, как следует из графика рис.2.6, при превышении верхнего предела давления в 10 Тор классический тлеющий разряд переходит в дуговой разряд. Казалось бы, этот путь неприемлем. Но выход из положения удалось найти. Для этого нужно было понять, почему увеличение давления газа вызывает переход тлеющего разряда в дуговой.

В разряде одновременно идут два процесса – ионизация нейтрального газа и возбуждение атомов (молекул) за счет их соударений с электронами. Процесс ионизации требует более высоких затрат энергии, чем процесс возбуждения. А в том случае, когда мы стремимся к получению преимущественного возбуждения верхнего лазерного уровня молекулы СО2, что достигается через возбуждение молекулы азота при энергии электронов около 2 эВ, то необходимо при этом обеспечить незаселенность нижних уровней, то есть сохранять температуру газа ниже 400 К.

При увеличении давления резко возрастает число актов рекомбинации и, соответственно, необходимо увеличить число актов ионизации, без чего разряд не сможет существовать. Приходится увеличивать напряженность электрического поля и разрядный ток. Тогда резко возрастает нагрев электродов и вместо автоэлектронной эмиссии возникает термоэмиссия, сопровождающаяся переходом тлеющего разряда в дуговой. Конечно, одновременно увеличивается и джоулево тепло, выделяющееся в разряде, но с этим мы знаем, как бороться. Возникает дилемма: чтобы возбуждать при высоком давлении верхний лазерный уровень, оставляя незаселенными нижние уровни, необходимы более низкие значения напряженности электрического поля, чем этого требуют процессы ионизации, при которых разряд сможет существовать. Но при соответствующих этим требованиям значениях напряженности поля тлеющий разряд перейдет в дуговой. Это противоречие можно разрешить, если разделить в разряде процессы ионизации и возбуждения верхнего лазерного уровня. Для реализации такой идеи необходимо было найти независимый источник ионизации газа в разрядном промежутке, после чего осуществить в нем протекание основного разряда уже при сравнительно низких значениях напряженности внешнего поля.

Ионизация разрядного промежутка с применением внешнего источника ионизации. Внешний источник ионизации может представлять собой:

- вспомогательный разряд, параметры которого обеспечивают протекание в разрядном промежутке ионизационных процессов достаточной интенсивности;

- источник высокоэнергетичных ультрафиолетовых, рентгеновских или гамма излучений, способных ионизовать активную лазерную среду;

- источник вводимых в разрядный промежуток быстрых электронов, производящих первичную ионизацию;

- источник других быстрых корпускулярных частиц, таких как протоны или нейтроны.

Современная техника мощных лазеров использует из этого перечня два типа источников ионизации: вспомогательный разряд и поток быстрых электронов.

Непрерывный СО2 лазер с вспомогательным разрядом. Один из вариантов такой системы был рассмотрен выше – это СО2 лазер с вспомогательным ВЧ разрядом.

Роль ВЧ разряда состояла в осуществлении дополнительной ионизации активной среды, что позволило несколько снизить необходимую напряженность электрического поля основного разряда и за этот счет поднять в несколько раз давление газа по сравнению с классическим тлеющим разрядом.

При наличии внешней ионизации могут реализовываться две разновидности разряда. Одна из них называется несамостоятельным разрядом, непрерывный источник ионизует среду, в которой протекает основной разряд. Но как только прекращается внешняя ионизация, так тут же прекращается горение основного разряда, он самостоятельно существовать не может. Вторая разновидность – самостоятельный разряд, он может существовать и без непрерывной вспомогательной ионизации, роль которой ограничивается созданием только начальной ионизации и последующей помощи в некотором снижении напряженности поля. Создание непрерывных СО2 лазеров с ионизацией вспомогательным разрядом оказалось весьма непростой задачей. Дело в том, что увеличить мощность вспомогательного разряда можно только до определенного предела, выше которого этот разряд начинает выделять слишком много тепла. Кроме того, вспомогательный разряд должен быть диффузного типа, что существенно уменьшает возможности выбора. Чаще всего используется вспомогательный ВЧ разряд. Наилучшие результаты, достигнутые в таком варианте, позволили поднять давление наполняющего газа примерно до 150 Тор. Такие лазеры с предельной мощностью до 10 кВт широко используют в лазерных станках для обработки материалов.

Ионизация активной среды пучком быстрых электронов. Источником быстрых электронов служит электронная пушка, схематично изображенная на рис.

2.18.

Мощный подогревный катод, источник быстрых электронов, находится под потенциалом от -250 до -400 кВ. Анод, выполняющий одновременно и функцию переходного узла от пушки к лазерной камере, представляет собой решетку из нержавеющей стали, герметично закрытую достаточно тонкой, но прочной алюминиевой, титановой или другой подобной фольгой толщиной от 20 до 40 мкм.

Пространство между катодом и анодом откачено до высокого вакуума при остаточном давлении воздуха не выше 10–6 Тор.

Такое давление поддерживается непрерывной работой откачной системы, состоящей из форвакуумного и одного – двух мощных диффузионных насосов. Пушка пристыковывается к лазерной разрядной камере, отделяясь от нее анодной решеткой плотно закрытой фольгой.

Эмитируемые катодом пушки электроны ускоряются в промежутке катод – анод, и через отверстия в анодной решетке и фольгу проникают в разрядную камеру. Энергия электронов достигает нескольких сотен эВ, они ионизуют активную среду. Приложенного к электродам напряжения недостаточно для инициации и поддержания разряда без внешней ионизации, это типичный несамостоятельный разряд. Напряженность поля составляет 2 – 4 кВ/см вместо – 10 кВ/см в самостоятельном разряде. Такие параметры создают наиболее благоприятные условия для избирательного заселения верхнего лазерного уровня. Лазеры, использующие пучок быстрых электронов в качестве источника ионизации, иногда в технической литературе называют электроионизационными.

Достоинства непрерывного электроионизационного лазера: 1) возможность организации тлеющего разряда при давлениях активной смеси порядка 1 атм. (в условиях непрерывной прокачки газа);

2) возможность задействования больших объемов активной среды за счет существенного увеличения поперечного сечения разрядной области (межэлектродное расстояние достигает 50 см);

3) возможность модулировать разряд путем модуляции электронного пучка;

4) возможность работать при оптимальных с точки зрения накачки параметрах несамостоятельного разряда.

Недостатки электроионизационных лазеров: 1) сравнительно короткий срок службы электронной пушки, что связано с выходом из строя подогревного катода;

2)уязвимость фольгового узла, возможности электрического пробоя фольги, что ведет к попаданию газа из камеры в пушку и сопровождается полным ее выходом из строя;

3) применение сложных высокопроизводительных вакуумных насосов создает еще один узел потенциального отказа техники;

4) необходимость использования мощной биологической защиты персонала от рентгеновского излучения, сопровождающего работу установки;

5) сложность эксплуатации и настройки всей системы, высокая стоимость, как самой установки, так и ее эксплуатации. Перечисленные недостатки не позволяют широко использовать электроионизационные лазеры в промышленных целях.

2.10. ДИССОЦИАЦИЯ МОЛЕКУЛ СО2 В РАЗРЯДЕ Проблема распада (диссоциации) молекул СО2 является достаточно серьезной, так как в условиях замкнутой прокачки такое явление ведет к снижению со временем выходной мощности лазера. Ни молекула СО2, ни молекула N2 не диссоциируют термическим путем. Температура газа в разряде составляет доли эВ, в то время как энергия разрыва химической связи одного атома кислорода молекулы СО2 составляет 5,47 эВ, а энергия разрыва двух атомов кислорода, то есть полного распада молекулы СО2, составляет 9,75 эВ. Диссоциация молекул в тлеющем разряде происходит либо в результате прямого удара достаточно быстрого электрона (2.62) либо в результате диссоциативной рекомбинации:

(2.63) Преобладает в разряде процесс (2.62), так как скорость его протекания пропорциональна произведению ne.nа, в то время как скорость диссоциативной рекомбинации пропорциональна лишь nе2. Обратные процессы, ведущие к восстановлению молекул СО2 в разряде, могут протекать либо в объеме, при тройных столкновениях с молекулами Рис. 2.19: газа Х (2.64) либо на стенках камеры при условии, что они поглощают образующийся в разряде кислород (2.65) В стационарном состоянии устанавливается динамическое равновесие:

(2.66) и относительное содержание СО2, СО и О2 в разряде определяется особенностями разрядной трубки (камеры). Например, в зависимости от типа используемого катода или от материала стенок реакция (2.66) может сдвигаться как вправо, так и влево.

Восстановлению молекул СО2 способствует добавка в активную среду небольшого количества водорода. Разложение молекул СО2 активируется ростом температуры и увеличением силы разрядного тока.

От степени диссоциации исходного количества молекул СО2 зависит инверсная населенность, а с ней и генерируемая лазером мощность. Экспериментальная зависимость от степени диссоциации при протекании разряда в смеси СО2: N2: He = 1:3:6 при общем давлении Тор и при температуре 400 К представлена в качестве примера на рис. 2.19. При степени диссоциации до 20% наблюдается некоторый подъем инверсной населенности.

Он вызван тем, что в небольшом количестве молекулы СО передают свою энергию возбуждения молекулам СО2, резонансно заселяя верхний лазерный уровень 00о1, как это делает молекула азота. Затем начинает сказываться убыль молекул СО2 и, соответственно, падение инверсной населенности. Примерно такой же характер имеет зависимость от времени пребывания смеси в разряде при осуществлении протока газа. Чем интенсивнее протекает диссоциация молекул СО2, тем быстрее следует прокачивать рабочую смесь через зону разряда, чтобы не допустить снижения выходной мощности лазера.

.

2.11. МОЩНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ СО2 ЛАЗЕРЫ Развитие мощных импульсных СО2 лазеров началось после того, как в конце года двумя группами исследователей, одна – в Канаде, другая – во Франции, была реализована идея разделения процессов ионизации и возбуждения молекул в тлеющем разряде. В отличие от режима непрерывной генерации, в случае импульсных лазеров достаточным оказалось осуществить предионизацию разрядного промежутка, не заботясь о дальнейшем. Обе группы использовали для предионизации вспомогательный разряд, с некоторым опережением ионизирующий разрядный промежуток перед тем, как в нем возникнет основной разряд. Но без такой предионизации основной разряд возникнуть не может, поскольку приложенного к электродам напряжения недостаточно для пробоя разрядного промежутка.

Импульсные лазеры с вспомогательным разрядом получили в англоязычной литературе название TEA лазеров. Аббревиатура расшифровывается так: transversally excited at atmospheric pressure (поперечное возбуждение при атмосферном давлении).

Импульсные лазерные системы проще, чем непрерывные, решают проблему генерации высокоэнергичных импульсов излучения, поскольку длительность импульсов, как правило, намного короче времени развития тепловых процессов в активной среде. Все это вместе с высоким к.п.д., присущим СО2 лазерам, позволило достичь в таких системах энергий в импульсе до нескольких сотен джоулей. Кроме газоразрядных, или ТЕА лазеров, создана и другая их разновидность – электроионизационные импульсные лазеры, в которых ионизация осуществляется электронным пучком, а разряд, соответственно, является несамостоятельным.

Системы газоразрядной предионизации. Главное требование к системам газоразрядной предионизации – возможность с их помощью создать в активной среде такую степень начальной ионизации, которая обеспечит последующее развитие основного разряда при значениях Е/р, наиболее благоприятных для избирательного возбуждения верхнего лазерного уровня 00o1 молекулы СО2. Концентрация электронов, удовлетворяющая такому условию, лежит в пределах от 108 до 1011 см–3, но желательно сделать ее как можно ближе к верхнему значению. В процессе протекания основного разряда предионизатор участия не принимает. Наибольшее распространение получили предионизаторы, использующие вспомогательный разряд одного из следующих типов.

Коронный разряд обычно образуется между острием или тонкой проволокой, находящимися под высоким напряжением, и заземленным электродом. Коронный разряд неравновесен, при холодном газе электронная температура достигает нескольких электрон-вольт. Такой разряд интенсивно излучает в УФ области спектра, вызывая фотоионизацию газа. Схематично устройство лазера с предионизацией коронным разрядом показано на рис. 2.20.

С обеих сторон разрядного промежутка параллельно основным электродам натянуты две тонкие проволочки, обозначенные на рисунке КР. К основным электродам подведено напряжение более низкое, чем необходимо для пробоя разрядного промежутка. Напряжение между проволочками и заземленным основным электродом достаточно для развития с каждой стороны промежутка коронного разряда. Создаваемое при этом УФ излучение ионизует разрядный промежуток, и в нем развивается основной разряд, обеспечивающий возникновение импульсной лазерной генерации. От системы предионизации требуют организации высокой однородности начальной концентрации электронов в разрядном промежутке.

Это необходимо для получения стабильного и эффективного основного разряда при атмосферном давлении газовой смеси. Предионизационная система, использующая коронный разряд, создает однородную ионизацию только при относительно малых поперечных сечениях разрядного промежутка, поскольку ультрафиолетовое излучение активно поглощается в газе и при больших сечениях центральные области разрядного промежутка оказываются непроработанными. Это накладывает серьезные ограничения на применение таких систем.

Множественные искровые разряды. Предионизатор такого типа широко используется во многих лазерных системах средней мощности. Система множественных искровых разрядов создана Ричардсоном в 1973 году. На рис.2. приведена электрическая схема предионизатора этого типа.

Анод основного разрядного промежутка выполнен в виде сетки из нержавеющей стали, натянутой между изоляторами. Под сеткой расположены игольчатые электроды, например, в 6 рядов по 100 иголок в каждом ряду. Основной разряд формируется с использованием высоковольтной импульсной системы питания, работающей на базе двухкаскадного генератора Маркса с удвоением напряжения источника питания.

Накопительные емкости Сs = 0,1 мкФ заряжаются от высоковольтного выпрямителя до номинального напряжения. Триггерный разрядник Р1, после подачи на его управляющий электрод запускающего импульса, пробивается и переключает конденсаторы Сs из параллельного в последовательное соединение. В результате неуправляемые разрядники Р2 и Р3 оказываются под удвоенным напряжением, вызывающим их пробой и подведение напряжения к основным электродам и к вспомогательному разрядному промежутку между иголками и анодом. Подведенного напряжения недостаточно, чтобы пробить основной разрядный промежуток, но хватает для появления множественных искровых разрядов между иголками и анодом.

Искровые разряды создают интенсивное УФ излучение, производящее фотоионизацию разрядного промежутка. Если уровень ионизации будет достаточно высоким, то в основном промежутке лавинообразно протекает импульс основного разряда между катодом и анодом. Тем самым создаются условия для проявления лазерного эффекта.

При участии такой системы предионизации удается вложить в активную среду энергию, превышающую 300 Дж/л. А так как к.п.д. преобразования вложенной энергии в лазерное излучение в среднем составляет 10%, то активная среда генерирует излучение на уровне 30 Дж/л.

Предионизация барьерным разрядом. Барьерным называют разряд, который протекает через диэлектрик за счет токов смещения. Такая форма разряда может существовать только в режиме коротких импульсов. Один из вариантов схемы предионизации барьерным разрядом представлен на рис. 2.22 [8].

Основной разрядный промежуток расположен между катодом (К) и анодом (А). В устройстве, рассматриваемом на рисунке, анод и катод представляют собой дюралюминиевые пластины. В теле катода фрезеруются поперечные пазы, в которые уложен тонкий провод в надежной изоляции (пи). Источник питания заряжает накопительные емкости С1 и С2, которые первоначально соединены параллельно.

Подача на триггерный разрядник Р1 запускающего импульса напряжения, вызывает пробой разрядника, что ведет к переключению емкостей из параллельного в последовательное соединение. Это двухкаскадная схема Маркса. Напряжение на накопительной батарее удваивается, и это приводит к пробою неуправляемого разрядника Р2. В результате между анодом и катодом появляется напряжение, но его величина недостаточна для пробоя газа в разрядном промежутке. Однако через разделительную емкость С3 то же напряжение прикладывается между вспомогательным проводом (пи) и катодом. Через изоляцию провода проходит ток смещения, и над катодом возникает диффузный разряд, создающий ультрафиолетовое излучение, способное осуществить фотоионизацию разрядного промежутка. Это и есть разряд барьерного типа, он как бы покрывает собой всю поверхность катода. Длительность такого разряда не превышает десятков наносекунд, но этого достаточно, чтобы создать необходимую начальную ионизацию. Тогда напряжение, приложенное к основным электродам, оказывается достаточным, чтобы вызвать протекание разрядного тока в ионизованном основном промежутке, и произвести импульс накачки активной среды.

Описанная система предионизации оказалась эффективной, с ней получены съемы когерентного излучения от 30 до 50 Дж/см3 при к.п.д. до 15%. Для повышения эффективности предионизации в рабочую газовую смесь вводились в виде небольших добавок легкоионизуемые вещества [8,9]. Для предионизации активной среды импульсных СО2 лазеров используются также и некоторые другие виды вспомогательных разрядов, например, поверхностные разряды на диэлектрике, но они не получили широкого распространения.

В импульсном разряде выделяются три стадии. Первую стадию назовем переходной стадией в развитии импульсного разряда, вторую – основной стадией, и ее перекрывает третья стадия, во время которой происходит генерация лазерного излучения. Рассмотрим особенности каждой стадии.

Переходная стадия в развитии импульсного разряда с предионизацией.

Создаваемая вспомогательным разрядом начальная концентрация электронов достаточна для пропускания тока через пространство между основными электродами, но не достаточна для вложения в образовавшуюся плазму необходимой энергии накачки. Поэтому сразу после включения основного разряда проходит некоторое время, в течение которого процессы ионизации в основном разряде увеличивают электронную концентрацию до величины, достаточной для эффективного образования инверсной населенности между верхним и нижним лазерными уровнями. Достижение этой цели требует несколько более высокого значения напряженности электрического поля в разрядном промежутке Е/р, чем необходимо для эффективного избирательного возбуждения верхнего лазерного уровня.

Расчеты, подтверждаемые экспериментальными данными, показывают, что для достижения за время импульса нужной концентрации электронов, их начальная концентрация neo должна быть не ниже определенного критического уровня, равного 8 - примерно 10 см. На практике чем выше это значение, то есть чем мощнее предионизация, тем эффективнее работает импульсный лазер.

Следовательно, к системе предионизации предъявляются очень жесткие требования. В устойчиво работающих импульсных лазерах предионизационный разряд создает начальную концентрацию электронов не ниже 109 см-3. Для развития последующей ионизации и для эффективной накачки верхнего лазерного уровня молекул СО2 в смеси СО2 – N2 – He необходимо, чтобы значение параметра Е/р у основного разряда превышало В/см.Тор. Например, в лазерах, работающих при атмосферном давлении наполняющих газов, напряженность электрического поля Е лежит в пределах от 5 до 10 кВ/см. Превышение этого уровня порождает неустойчивость разряда. Параметры, обеспечивающие эффективную генерацию лазерного излучения электроразрядным импульсным СО2 лазером при атмосферном давлении газов, ограничены узкими рамками приемлемых значений. Особенности развития основного разряда в системе с предионизацией вспомогательным разрядом рассмотрим на конкретном примере [8]. На рис.2.23 приведены осциллограммы напряжения U, тока I и плотности мощности выходного излучения W у ТЕА лазера с предионизацией барьерным разрядом по схеме рис. 2.22.


Расстояние между анодом и катодом 10 см, соответственно выходная апертура (и сечение лазерного луча на выходе) 10см на 10см. Соотношение парциальных давлений газов СО2 – N2 – He равнялось 1:4:5 при общем давлении 1 атм.

Как видно из осциллограмм, разрядный ток появляется через 4 мкс после срабатывания триггерного разрядника и подачи напряжения на разрядный промежуток.

Задержка определяется временем формирования вспомогательного барьерного разряда и создания им начальной ионизации среды. За это время рост напряжения на основном разрядном промежутке должен обеспечить достижение такого его значения, которое создаст ускорение электронов в среде, достаточное для развития необходимого уровня ионизационного процесса в самом разряде. Ток возникает после того, как напряженность электрического поля в разрядном промежутке достигнет значения Е = U/d 8 кВ/см. Здесь d – расстояние между электродами. Временной интервал между включением напряжения и появлением тока условимся называть предварительной стадией развития импульсного разряда.

С момента появления разрядного тока начинается основная стадия разряда. Она завершается с прекращением тока. Из осциллограммы тока на рис. 2.23 в данном примере видно, что ток возникает на 4-й микросекунде, и продолжается 5 микросекунд.

Прекращение тока вызвано снижением напряженности электрического поля до предельного значения порядка 5 кВ/см. Плотность разрядного тока определяется соотношением:

где – подвижность электронов в газовой смеси. Снижение Е сопровождается снижением как подвижности, так и концентрации электронов. Протекание тока становится невозможным, как только обе эти величины снижаются вместе с напряженностью поля до критического уровня.

На основной стадии разряда в каждый момент времени концентрация электронов определяется из уравнения непрерывности:

(2.67) где соответственно коэффициенты ионизации, прилипания и рекомбинации;

– скорость дрейфа электронов в электрическом поле. Из (2.67) следует:

(2.68) Величины, называют коэффициентами переноса, расчетные методы их определения рассматриваются в курсе физики плазмы. К соотношениям (2.67) и (2.68) добавляют соотношение, определяющее среднюю энергию электронов:

где De – коэффициент диффузии электронов. Совместное решение всех записанных уравнений позволяет определить из соотношения (2.68) вольтамперную характеристику разряда, а при известном законе зависимости Е/р от времени описать форму импульса тока, энергию накачки и некоторые другие характеристики импульсного разряда.

Из осциллограмм рис.2.23 видно, что генерация лазерного импульса начинается не вместе с токовым импульсом, а с некоторым запозданием. Конкретно, в приводившемся примере это запаздывание составляло 2 мкс. Возникшая генерация продолжается и некоторое время спустя после завершения токового импульса. На осциллограмме последействие составляет примерно 1 мкс. Период протекания лазерного излучения можно считать третьей стадией развития разряда, причем она перекрывается с основной стадией и характеризуется распадом плазмы в результате прекращения поступления энергии извне.

Основные элементы ТЕА лазера. Типичный импульсный электроразрядный (ТЕА) СО2 лазер состоит из элементов, показанных на блок-схеме рис. 2.24. При всем разнообразии в устройстве каждого такого элемента, общая схема остается практически неизменной. В качестве примера продолжу рассмотрение описанного выше ТЕА лазера, обладающего высокими выходными характеристиками [8]. Так, при длительности импульса генерации от 2-х до 4-х мкс энергия в импульсе излучения достигает 800 Дж.

Кювета и электроды. Герметичная газоразрядная кювета (1) изготовлена из стеклопластика. Кювета может быть изготовлена и из других диэлектрических материалов, например, из специальных пластмасс, в некоторых случаях ее изготавливают из металла. Но металлическая кювета требует создания на ее внутренних стенках прочного изоляционного покрытия, способного противостоять напряжениям порядка сотни кВ. Кроме того, металлическая кювета требует применения громоздких проходных изоляторов, обеспечивающих подачу высоковольтного напряжения от источника питания на электроды. Диэлектрическая кювета снимает эти усложняющие конструктивные проблемы.

В рассматриваемом лазере размеры кюветы: поперечное сечение квадратное, размер сторон 30см;

длина 2,3 м. Внутри кюветы на ее верхней и нижней стенках закрепляется секционированная электродная система. Электроды разделены на секции, каждая секция состоит из катода в виде дюралюминиевой пластины размером по ширине 150 мм и по длине 400мм, и противостоящего анода также в виде дюралюминиевой пластины несколько большего размера, чем катод. Вспомогательный электрод для предионизации, обеспечивающий протекание разряда барьерного типа, представляет собой провод в электрически прочной, но тонкой изоляции, он уложен зигзагообразно в поперечных пазах, выфрезерованных в катодной пластине. Диаметр металлической жилы провода 0,5 мм, диаметр провода с изоляцией 2,5 мм. Секции расположены последовательно внутри кюветы и отделены друг от друга небольшими промежутками, исключающими пробой между ними. Питающее напряжение подводится к каждому электроду через компактные проходные изоляторы.

При работе в режиме одиночных импульсов нет необходимости в прокачке газа через разрядный промежуток, поскольку тепловые процессы развиваются уже после того, как завершен разрядный импульс. Активная часть объема кюветы состоит из суммы объемов разрядных зон каждой секции, она составляет 16 л. Общий объем внутренней полости кюветы, заполняемый газовой смесью, в 3-4 раза превышает активный объем. Это позволяет длительное время компенсировать протекающий в разряде процесс диссоциации молекул СО 2, восполняя потери за счет запаса свежего газа. В результате удается осуществить около сотни импульсов генерации, прежде чем выходная мощность излучения снизится более чем на 10% от исходных значений.

После этого производится смена газовой смеси в кювете. При желании работать в частотно-импульсном режиме, необходимо осуществлять прокачку газа. Для этого на боковых стенках кюветы имеются широкие окна, к которым пристыковывается газодинамический прокачной тракт. Торцы кюветы герметично закрываются юстировочными блоками, внутри которых установлены зеркала оптического резонатора.

Оптический резонатор. В описываемом лазере применен устойчивый оптический резонатор. Зеркала резонатора установлены в торцевых юстируемых фланцах.

Выбран резонатор полуфокального типа, одно из зеркал имеет отражающую поверхность сферической формы, второе зеркало – плоскопараллельное. Медное сферическое зеркало диаметром 180 мм имеет радиус кривизны от 20 до 40 м. Оно изготавливается алмазным точением, после которого нет необходимости производить полировку поверхности. На противоположном конце располагается полупрозрачное выходное зеркало, изготовляемое из монокристалла германия. Диаметр зеркала мм при толщине 25 мм. Обе рабочие поверхности германиевой пластины подвергаются обработке по специальной технологии, обеспечивающей их высокое оптическое качество. Наружная грань пластины имеет напыленное просветляющее покрытие. На длине волны 10,6 мкм коэффициент отражения зеркала равен 0,36, соответственно коэффициент пропускания равен 0,64. Германиевая пластина выдерживает поверхностные лучевые нагрузки, не превышающие примерно 10 Дж/см2. Поскольку сечение генерируемого луча представляет собой квадрат со стороной 100 мм, то зеркало позволяет выводить лазерное излучение с общей энергией в импульсе не более 1 кДж.

Источник электропитания. Первичный источник электропитания – стандартная сеть напряжением 220 или 380 В. Далее следуют такие элементы:

1) регулятор напряжения;

2) высоковольтный трансформатор;

3) высоковольтный выпрямитель;

4) блок формирования и коммутирования импульса электропитания (БФИ);

5) элементы цепи питания.

Центральный элемент схемы – БФИ. Поскольку электродная система разделена на четыре независимые секции, то и БФИ разделен на такое же число секций, каждая из которых собрана по схеме, представленной на рис.2.22. Каждая секция питания подключена к одной электродной секции. Секционированное электропитание вместе с секционированной электродной системой позволяет, во-первых, существенно снизить токовые нагрузки на элементы БФИ;

во-вторых, использовать различные варианты совместного или раздельного запуска секций, что расширяет возможности использования лазера. Например, при работе на пониженных энергиях в импульсе нет необходимости использовать все секции лазера, можно включить только одну, или две, или три секции в соответствии с потребностью. Запуская секции не совместно, а поодиночке с некоторым интервалом, можно создавать пакеты импульсов от 2-х до 4-х.

Конечно, при этом энергия в каждом импульсе существенно ниже, чем при синхронном запуске всех секций. Серьезная проблема, возникающая при проектировании БФИ, состоит в возможностях комплектования схемы накопительными конденсаторами и высоковольтными разрядниками. В рассматриваемой схеме, в частности, использованы малоиндуктивные конденсаторы на напряжение 100 кВ, емкость которых С1 = С2 = 0,5 мкФ. Конденсаторы такого типа стоят дорого и создают трудности, связанные с их габаритами и весами. Дополнительная проблема возникает при необходимости работы в частотно-импульсном режиме, так как возможности конденсаторов работать при частоте повторения импульсов, ограничены. При частотах, превышающих несколько герц, накопительные батареи заменяются специальными модулирующими устройствами, что усложняет источник питания. Подробно эти вопросы рассматриваются в литературе, посвященной мощным импульсным источникам питания. Что же касается управляемого (Р1) и неуправляемого (Р2) разрядников, то при работе в режиме одиночных импульсов успешно используются открытые воздушные разрядники специальной конструкции. При этом обеспечивается точность синхронного срабатывания разрядников всех четырех секций на уровне наносекунд. Более надежными считают разрядники закрытого типа, наполняемые азотом до давлений в несколько атмосфер.


Газоснабжение кюветы включает:

1) блок откачки отработанной газовой смеси: с этой задачей успешно справляется производительный форвакуумный насос;

2) баллоны, наполненные газами, необходимыми для создания рабочей смеси (СО 2, N2, He);

3) специальную емкость для приготовления смеси газов с заданными парциальными давлениями компонентов, откуда смесь вводится в кювету. В лабораторных условиях напуск газов с нужными парциальными давлениями может производиться прямо в кювету из баллонов;

4) блок ввода в кювету органической присадки при парциальном давлении на уровне 1 тор;

5) газовые магистрали, дистанционно управляемые клапаны, точные манометры. После откачки отработанной газовой смеси и перед наполнением свежей смесью, кювету необходимо промыть азотом.

Измерение выходных параметров лазерного луча. Необходимо обеспечить измерение энергии излучения и формы лазерного импульса в каждом генерируемом импульсе. Для этого применяют схему, изображенную на рис. 2.25.

Луч лазера по выходе из оптического резонатора проходит через оптический клин (2), прозрачный для излучения в области длин волн от 9 до 11 мкм. Для этого клин изготавливается, например, из монокристалла NaCl. Около 4% энергии отражается от передней грани клина и попадает в калориметрический измеритель энергии (3). Энергия, отражающаяся от задней грани клина, попадает на вход германиевого фотоприемника (5), временное разрешение которого не хуже, чем 10-9с.

Развернутый во времени сигнал приемника фиксируется на экране осциллографа (6), он регистрирует ход изменения интенсивности луча во времени. В случае необходимости с применением стандартной процедуры измеряется расходимость лазерного луча. При создании лазерного станка данные о параметрах луча поступают в блок управления и автоматически учитываются при обеспечении заданного режима генерации.

Электроионизационные импульсные и частотно-импульсные лазеры. По внешнему виду импульсные электроионизационные лазеры не отличаются от непрерывных лазеров соответствующего уровня мощности. Но некоторые их элементы существенно различаются. Электронная пушка импульсного лазера должна обеспечивать образование очень мощных кратковременных электронных пучков с энергиями 100 – 300 кэВ. Для этого катод такой пушки должен обладать способностью почти мгновенного создания мощного токового импульса. Термоэмиссионный катод не способен работать в таком режиме, поэтому используется либо катод с автоэлектронной эмиссией, либо катод с эмиссией взрывного типа, выдерживающие подобные нагрузки. Катод и электронная пушка в целом остаются одним из наименее надежных элементов системы.

Электронный пучок, вводимый в разрядный объем кюветы, ионизует молекулы газа, а приложенное к основным электродам напряжение от модулятора создает в ионизованной среде импульсный разряд несамостоятельного типа. Успешная работа лазера зависит от того, способна ли активная среда воспринять необходимую энергию накачки за короткий промежуток времени. Поскольку импульсные электроиони зационные лазеры обладают теми же недостатками, что и непрерывные лазеры такого типа, их использование в лазерных станках, как правило, оказывается неприемлемым.

Прежде всего, по причине необходимости создания мощной биологической защиты от сильного рентгеновского излучения, сопровождающего их функционирование. В производственных условиях это недопустимо.

Емкость конденсаторной батареи. Энергия Wk, запасаемая конденсаторной батареей, равна:

(2.69) где С – емкость конденсаторной батареи, Е 0 – начальная напряженность электрического поля при зарядке батареи, d – расстояние между основными электродами лазера. После предионизационной подготовки в разрядном промежутке появляется исходная концентрация электронов, что ведет к пробою промежутка и введению в него энергии от разряжающейся конденсаторной батареи. Используя уравнение Кирхгофа для малоиндуктивного контура с включенной в него батареей конденсаторов, получают выражение для энергии Wp, передаваемой в разрядный промежуток:

(2.70) здесь S – площадь электродных пластин, tn – длительность разрядного импульса, электропроводность плазмы, R – сопротивление плазмы электрическому току, подвижность электронов, е – заряд электрона. Введем в (2.70) обозначение:

(2.71) Число (1-К) определяет введенную в разряд долю энергии, запасенной в конденсаторной батарее. Если число К близко к единице, то в разряд переходит незначительная часть запасенной энергии, и к.п.д. лазера будет низким. Если же К очень мало, то есть батарея почти полностью разряжается, то в процессе протекания разряда будет существенно меняться напряженность электрического поля Е, в результате чего на значительном протяжении токового импульса напряженность поля оказывается далекой от оптимального значения с точки зрения возбуждения молекул азота и СО2. Соответственно упадет энергия в излучаемом импульсе и снизится к.п.д.

лазера. Наиболее выгодными для эффективной работы лазера считаются значения К в интервале от 0,5 до 0,7. Емкость конденсаторной батареи, необходимой для введения в разряд оптимальной энергии, можно определить из соотношения (2.70), если учесть оптимальное значение К, начальную концентрацию электронов в разрядном промежутке, и коэффициент рекомбинации молекул с электронами :

(2.72) При бесконечном увеличении емкости количество вводимой в разряд энергии достигает конечного предела:

(2.73) 2.12. ИК-ОПТИКА МОЩНЫХ СО2 ЛАЗЕРОВ Оптические элементы мощных лазеров. Непременной частью любого лазера и связанных с ним устройств являются оптические элементы. Когда рассматриваются СО2 лазеры, генерирующие излучение на длинах волн от 9 до 11 мкм, непременным требованием к оптическим элементам выступает их совместимость с этим диапазоном.

Кроме того, поскольку речь идет о мощных лазерах, то появляется еще одно требование к оптическим элементам – высокая лучевая стойкость.

Различные оптические элементы, используемые в лазерных установках, можно разделить на четыре группы: 1) элементы резонатора;

2) выходные окна генераторов или усилителей;

3) оптические элементы внешней схемы лазерной установки;

4) нелинейные оптические элементы (затворы, модуляторы, преобразователи длины волны и другие). Последнюю группу здесь рассматривать не будем, она занимает особое положение.

Элементами оптического резонатора являются зеркала. Они бывают либо полностью непрозрачными («глухие»), либо частично прозрачными (выходное зеркало). Глухие зеркала изготавливаются из металла (чаще всего это медь) или из специальной подложки, на которую напыляется слой, отражающий не менее 95% падающего излучения. Подложка в этом случае выбирается такой, чтобы она способствовала интенсивному охлаждению отражающего слоя. Выходные зеркала для СО2 лазеров изготавливаются из монокристаллов, пропускающих определенную часть излучения на длине волны этого лазера и отражающих почти всю остальную часть излучения. Как правило, для задания нужных коэффициентов пропускания и отражения, на поверхности пластины из монокристалла напыляют либо просветляющие, либо отражающие интерференционные покрытия. Различают оптические резонаторы устойчивой и неустойчивой конфигураций. Схематично они изображены на рис.2.26.

Выходное зеркало устойчивого резонатора частично прозрачно для излучения на длине волны лазера. Отражающая поверхность и материал зеркала должны обладать минимальными потерями на поглощение.

Сечение выходящего луча зависит от конфигурации разрядного промежутка и от формы выходной апертуры. На рисунке, в частности, изображено квадратное сечение луча. Квадрат при хорошем качестве зеркал и однородности разряда равномерно заполнен излучением, за исключением краев, где происходит спад интенсивности.

В случае неустойчивого резонатора (Б) оба зеркала «глухие». Заднее зеркало обычно имеет вогнутую сферическую отражающую поверхность, а переднее выходное зеркало – выпуклую поверхность. Выходное зеркало затеняет всю центральную часть луча, и его сечение имеет форму «бублика».

Несмотря на неудобства, связанные с особой формой сечения луча, неустойчивые резонаторы широко применяются в мощных лазерах. Одна из причин – высокая лучевая стойкость металлических зеркал.

В мою задачу не входит изложение теории и практики исполнения оптических резонаторов, этим вопросам посвящены многочисленные специальные учебники и монографии. Ограничусь рассмотрением тех кристаллических материалов, которые используются для создания зеркал, частично прозрачных в инфракрасном диапазоне длин волн.

Выходные окна лазеров и усилителей. Их назначение – герметично закрывать торцы кюветы и при этом пропускать излучение на лазерной длине волны. Выходные окна - обязательный элемент усилителей. В лазерных генераторах их используют в двух случаях: когда по каким-то причинам устанавливается оптический резонатор с выносными зеркалами, или когда применен неустойчивый оптический резонатор.

Торцы кюветы лазера с устойчивым резонатором герметично закрываются фланцами, в которых установлены с одного конца глухое, а с противоположного – выходное зеркала.

Оптические элементы внешней схемы. Такие элементы предназначаются для формирования лазерного луча, для его расщепления (при необходимости), для направления на нужный объект и частично на измерительные приборы. В качестве примера небольшого участка внешней схемы можно рассмотреть рис.2.28, где с помощью оптического клина и глухих поворотных зеркал небольшая часть излучения направляется на измеритель мощности и измеритель интенсивности луча. В общем случае добавляются линзы, призмы, поляризаторы и другие необходимые оптические элементы.

Материалы для элементов ИК-оптики. Все оптические элементы по своему назначению разделяются на три группы. Первую группу составляют элементы, назначение которых – отражать излучение при минимальном его поглощении и рассеянии. Назначение элементов второй группы – частично отражать и частично пропускать излучение заданной длины волны опять же при минимальном поглощении.

Предназначение элементов третьей группы – пропускать излучение заданной длины волны при минимальных значениях отражения и поглощения.

Отражающие элементы. К этой группе относятся «глухие» зеркала. Чаще всего для их изготовления используют медь, специальные бронзы, реже алюминий.

Отражающие поверхности обрабатываются на оптических станках, где поверхности придается точная заданная форма – плоскость, сфера заданного радиуса кривизны, эллиптическая или параболическая поверхность. После механической обработки отражающая поверхность подвергается шлифовке и полировке. В последние годы начали широко применять чистовую обработку поверхностей с применением алмазного инструмента (алмазное точение). Такая обработка делает ненужными процессы шлифования и полирования. Для повышения отражательной способности поверхности и защиты ее от окисления иногда напыляется тончайший слой золота. Кроме металлов зеркала изготовляют на основе пористых диэлектриков или композитных материалов с напылением на рабочую поверхность диэлектрических отражающих покрытий. Такие зеркала эффективно охлаждаются водой (с тыльной стороны). Тем самым удается существенно повысить предельные лучевые нагрузки на отражающую поверхность.

Удается достигнуть у высококачественных зеркал коэффициента отражения на длине волны лазерного излучения от 0,99 до 0,999.

Прозрачные и частично прозрачные оптические элементы для ИК области спектра изготавливаются на основе аморфных или кристаллических диэлектриков. Для длины волны СО2 лазеров непригодны оптические стекла и ситаллы, они поглощают такое излучение в тонком поверхностном слое. Нужными свойствами обладают материалы, принадлежащие к одной из следующих трех групп: 1) ионные монокристаллы;

2) полупроводниковые кристаллы;

3) халькогенидные стекла и оптическая керамика. Данные о некоторых представителях таких материалов приведены в таблицах 2.6 – 2.8.

Список материалов, прозрачных в области спектра от 9 до 11 мкм, можно расширить. Но прозрачность – это только первая составляющая в комплекте условий, определяющих пригодность материала для изготовления из него оптических элементов, особенно когда речь идет о мощных СО2 лазерах. Так, специалисты признают, что по всем своим характеристикам алмаз – самый лучший материал для выходных окон. Но изготовить алмазные пластины необходимых для этих целей размеров, не говоря уж об их стоимости, если бы такое стало возможным, в обозримом будущем нереально. Другой пример. На протяжении многих лет велись работы по получению КРС нужных размеров и кондиции. На эти исследования возлагались серьезные надежды и были достигнуты значительные успехи. Однако, КРС слишком мягок и пластичен, его поверхность трудно довести до нужного оптического качества.

Со временем изготовленный из КРС элемент пластически деформируется. Ко всему сказанному добавляется еще одна неприятность – в основе материала заложены мышьяковистые соединения, что делает его чрезвычайно токсичным. Отсюда видно, что конструктивные и экологические требования к материалу накладывают серьезные ограничения на возможности его применения в лазерных установках.

Окно закрывает торец разрядной камеры и выполняет при этом не только оптические, но и конструкционные функции, что вносит дополнительные требования к прочности материала, к выбираемой толщине окна.

Основная проблема зеркал и выходных окон мощных лазеров определяется неизбежным взаимодействием интенсивного когерентного излучения с поверхностями и объемом этих оптических элементов. В этой связи, выбираемые для их изготовления материалы должны удовлетворять дополнительным требованиям:

- обладать как можно лучшими теплофизическими свойствами, а именно, иметь высокий коэффициент теплопроводности, высокую температуру плавления и низкий коэффициент линейного расширения;

- оптические свойства материала не должны зависеть от рабочей температуры;

- обладать минимальным коэффициентом поглощения на лазерной длине волны - в объеме и на поверхности материала не должны присутствовать непрозрачные включения;

- иметь низкие значения фотоупругих констант.

К этим требованиям добавляют: устойчивость к воздействию внешней среды и рабочего вещества лазера;

малый показатель преломления. Желательна прозрачность материала в видимой области спектра, что облегчает юстировку, и по возможности, дешевизна и технологическая простота изготовления и оптической обработки.

Материалов с перечисленными свойствами в природе не существует. Поэтому выбор подходящего материала – это всегда разумный компромисс между идеальными требованиями и реальными возможностями при детальном учете условий, в которых изделие должно работать.

ТАБЛИЦА 2.6 Ионные монокристаллы ТАБЛИЦА 2.7 Полупроводниковые кристаллы ТАБЛИЦА 2.8 Халькогенидные стекла и оптическая керамика ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА К разделу 1. Звелото О. Принципы лазеров. М.: Мир, Orazio Sveloto, Principles of Lasers. Third Edition.

Plenum Press – New York and London 2. Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике.

М.: Наука, К разделу 3. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 4. Шкаровский И., Джонстон Т., Бачинский М.

Кинетика частиц плазмы. М.: Атомиздат, Shkarovsky I., Johnston T., Bachynski. The Particle Kinetics of Plasmas. Addison-Wesley Publishing Co.

Reading, Massachusetts - Palo Alto – London – Don Mills, Ontario 5. Голант В.Е., Жилинский А.П., Сахаров С.А.

Основы физики плазмы, М. Атомиздат, 6. Грановский В.Л. Электрический ток в газе. М.:

Наука, 7. Газовые лазеры. Новосибирск, Наука, 8. Ашурлы З.И., Васьковский Ю.М., Гордеева И.А., Малышев Л.В., Ровинский Р.Е., Холодилов А.А., Электроразрядный импульсный СО2 лазер, Квантовая электроника, т.7, №7, 9. Аполлонов В.В., Васьковский Ю.М., Жаворонков М.И., Прохоров А.М., Ровинский Р.Е. Мощный электроразрядный СО2 лазер с добавками в смесь легкоионизуемых веществ, Квантовая электроника, т.12, №1, ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ 3.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И СОСТАВ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ Твердотельными условимся называть квантовые генераторы и усилители, использующие в качестве активной среды кристаллические или аморфные оптические элементы, в которых инверсная населенность создается накачкой оптическим излучением. В твердотельных лазерах применяются активные оптические элементы, изготавливаемые из искусственных рубинов, из стекла с присадкой редкоземельных элементов, прежде всего неодима (Nd), из алюмоиттриевого граната также с присадкой неодима, из флюорита с диспрозием. На рис. 3. представлена типовая блок-схема твердотельного лазера. Активный стержень (1) накачивается излучением импульсных ламп (3) и располагается между зеркалами оптического резонатора (2). Зеркала могут быть выносными, как изображено на схеме, но часто они располагаются на оптически обработанных торцах стержня путем нанесения на них отражающего слоя. Лампы располагаются в осветителе между отражающими свет поверхностями (4). Осветитель способствует концентрации лучистого потока на активном стержне. Осветитель и активный стержень интенсивно охлаждаются системой, представленной блоком (7). Питание ламп накачки осуществляется от блока питания (5), а инициирование световой вспышки производит блок поджига (6). Кроме того, в состав устройства входят оптические затворы, нелинейные элементы и некоторые другие вспомогательные оптические элементы, о назначении которых будет речь впереди. Рассмотрение составных частей твердотельного лазера начнем с источников оптической накачки.

3.2.ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ ЛАМПЫ ДЛЯ НАКАЧКИ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ.

Оптическая накачка твердотельных лазеров требует применения источников оптического излучения, способных создать свет нужного спектрального состава и достаточно высокой интенсивности. Наилучшим образом для этих целей подходят газоразрядные лампы, наполненные ксеноном или криптоном или их смесью при достаточно высоком давлении газа. Лазерная система накачки кроме лампы (или ламп) включает также осветитель, в котором размещаются как лампы, так и активный стержень. Мощные твердотельные лазеры работают в импульсном или частотно импульсном режимах. Система накачки должна функционировать в таких же режимах, поэтому применяют импульсные газоразрядные лампы.

Классическое определение импульсной лампы: это газоразрядный прибор с двумя основными токоведущими электродами и газовым промежутком между ними, рассчитанный на возникновение в газовом промежутке в необходимые моменты времени мощных импульсных (искровых) разрядов с интенсивным световым излучением. В мощных твердотельных лазерах, как правило, применяются прямолинейные трубчатые лампы, их устройство показано на упрощенной схеме рис.

3.2.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.