4.2 Молекулярный лазер на двуокиси углерода (со2-лазер)
Газоразрядные СО2 -лазеры являются наиболее ярким представителем семейства так называемых молекулярных лазеров, инверсная заселенность в которых создается между колебательными уровнями молекул, т.е между уровнями, энергия которых обусловлена движением составляющих молекулу атомов, а не возбуждением электронов.
С
Рисунок 4.5 – Типы
колебаний молекулы СО2 :
а) симметричные; б) деформационные; в)
ассиметричные
Механизм возникновения инверсии в СО2- лазере. Молекула СО2 состоит из атома углерода и двух симметрично расположенных атомов кислорода, т.е имеет линейную структуру О–С–О. Как видно из рис 4.5, атомы кислорода могут совершать симметричные и ассиметричные колебания относительно атома углерода вдоль направления О–С–О, а также поперечные этому направлению так называемые деформационные колебания. Колебательные состояния молекулы СО2 (три фундаментальные моды колебаний) имеют разную энергию квантов. Энергия квантов фундаментальных мод колебаний соответственно равна: 1) для симметричных колебаний, 2) для асимметричных колебаний, 3) для деформационных колебаний.
В каждой моде может быть один или несколько квантов. Колебательные состояния молекулы обозначаются набором трех колебательных квантовых чисел: ν1 ν2 и ν3. Эти числа равны кратности возбуждения соответственно симметричных, деформационных и асимметричных колебаний молекулы СО2. Так, например, колебательное состояние (010) есть состояние, в котором симметричные и антисимметричные колебания не возбуждены, а в деформационной (изгибной) моде имеется один квант.
Уровни энергии, связанные с лазерным излучением схематично показаны на рис. 4.6. Уровень (001) является верхним лазерным уровнем, а уровни (020) и (100) – нижними лазерным уровнями для колебательно-вращательных переходов и с длинам волн излучения 9,6 и 10,6 мкм.
Д ля получения оптимальных условий генерации в рабочую смесь СО2- лазера помимо углекислого газа добавляют азот и гелий. Обычно разряд вСО2- лазере происходит в смеси СО2, N2 и He при давлении до 0,10 МПа (1 атм.). В типичных условиях парциальное давление N2 и He примерно на порядок меньше парциального давления углекислого газа. Для оптимизации излучения в каждой конкретной установке подбирают определенный относительный состав смеси.
Н
Рисунок 4.6 – Схема
основных уровней молекул СО2
и N2
Закрытый СО2- лазер При работе СО2- лазера происходит распад молекул СО2 на СО и О, благодаря чему активная среда ослабляется. Далее СО распадается на С и О, а углерод осаждается на электродах и стенках трубки. Все это ухудшает работу СО2- лазера. Чтобы преодолеть вредное действие этих факторов, в закрытую систему добавляют пары воды, которые стимулируют реакцию . Используются платиновые электроды, материал которых является катализатором для этой реакции. Для у величения запаса активной среды резонатор соединяется с дополнительными емкостями, содержащими СО2, N2, Не, которые в необходимом количестве добавляются в объем резонатора для поддержания оптимальных условий работы лазера (рис.4.7). Такой закрытый СО2- лазер, в состоянии работать в течение многих тысяч часов.
П
Рисунок 4.7 – Схема
закрытого СО2-лазера
Газовые СО2- лазеры могут работать как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режимах. Для СО2- лазеров характерен высокий КПД (15 – 20 %), объясняемый тем, что все рабочие уровни находятся очень близко к основному состоянию.
Л
Рисунок 4.8 – Схема
проточного СО2-лазера