Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ЛЕКЦИЯ 11_Лазеры.doc
Скачиваний:
41
Добавлен:
17.09.2019
Размер:
497.15 Кб
Скачать

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

О2- лазер генерирует излучение с длиной волны λ = 10,6 мкм (дальний ИК-диапазон) и является самым мощным из газовых лазеров.

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

акачка осуществляется непосредственно при столкновениях молекул СО2 с электронами и передачей возбуждения от молекул N2 на долгоживущий (001)-уровень антисимметричной моды колебаний Возбужденное состояние молекулы азота N2 является метастабильным и отстоит от основного уровня на расстоянии весьма близком к энергетическому уровню (001) молекулы СО2 (см. рис. 4.6). Ввиду метастабильности возбужденного состояния N2 при прохождении тока число возбужденных атомов накапливается. При столкновении N2 с СО2 происходит резонансная передача энергии возбуждения от N2 к СО2 Вследствие этого возникает инверсия заселенностей между уровнями (001), (100), (020) молекул СО2. Обычно для уменьшения заселенности уровня (100), который имеет большое время жизни, что ухудшает генерацию при переходе на этот уровень, добавляют гелий. Гелий выполняет роль буферного газа: через неупругие столкновения с его атомами молекулы СО2 переводятся в основное состояние; кроме того, более эффективно отводится тепло на стенки трубки.

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

роточный СО
2- лазер. Важной модификацией является прочный СО2- лазер, в котором смесь газов СО2, N2 и Не, непрерывно прокачивается через резонатор (рис.4.8) в аксиальном направлении. Такой лазер может генерировать непрерывное когерентное излучение мощностью свыше 50 Вт на метр длины своей активной среды.

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

азеры на углекислом газе могут давать излучение мощностью в десятки киловатт в непрерывном режиме. Высокие мощность и КПД определили широкое применение СО2- лазеров в технологических процессах.