- •Лазерная техника Содержание
- •1. Газовые лазеры (гл)
- •Классификация гл
- •1.2. Некоторые сведения из физики газового разряда
- •1.2.1. Понятие плазмы газового разряда
- •1.2.2. Основные элементарные процессы в плазме гр
- •1.2.3. Понятие устойчивости гр
- •1.2.4. Описание гр с помощью вольтамперной характеристики (вах)
- •1.2.5. Несамостоятельный гр и его применение в гл
- •1.2.6. Самостоятельный гр и его применение в гл
- •1.2.7. Особенности конструкции гл с самостоятельным гр
- •1.2.8. Использование переменных полей для возбуждения гл
- •1.2.9. Импульсный гр и его применение в гл
- •1.3.1. Схема энергетических уровней молекулы , участвующих в процессе лазерной генерации
- •1.3.2. Создание инверсии на лазерных переходах
- •1.3.3. Формирование частотного спектра лазерного излучения
- •1.3.4. Зависимость мощности генерации со -лазера от температуры активной среды
- •1.3.5. Диффузионное охлаждение рабочей смеси
- •1.3.6. Многолучевые системы на базе диффузионного лазера
- •1.3.7. Конвективное охлаждение рабочей смеси
- •1.3.8. Импульсные -лазеры
- •1.3.9. Газодинамические -лазеры
- •1.5. Химические лазеры
- •1.5.1. Основные требования, необходимые для прямого преобразования химической энергии в световую
- •1.6. Атомарные лазеры (Не-Ne-лазер)
- •1.7. Ионные лазеры (Ar-лазер)
- •1.8. Лазеры на самоограниченных переходах
- •1.9. Эксимерные лазеры
- •2.Твердотельные лазеры с оптической накачкой
- •2.1. Общие характеристики и особенности генерации твердотельных лазеров с оптической накачкой
- •2.2 Рубиновый лазер
- •2.3. Лазеры на стекле с неодимом
- •2.4. Лазеры на гранате с неодимом (иаг-лазеры)
- •3. Полупроводниковые лазеры
- •3.1. Вынужденное излучение в полупроводниках
- •3.2. Создание инверсии в полупроводниках
- •3.3. Лазеры на гомоструктурах
- •3.4. Лазеры на гетероструктурах
- •4. Лазеры на растворах органических красителей
- •4.1. Лазерные красители
- •4.1.1. Общие сведения
- •4.1.2. Поглощение света лазерными красителями и их флуоресценция
- •4.1.3. Пути дезактивации возбужденных молекул красителя
- •4.1.4. Распространенные красители
- •4.2. Условие генерации
- •4.2.1. Режим многократного прохождения излучения в резонаторе
- •4.2.2. Режим сверхизлучения
- •4.3. Системы накачки
- •4.3.1. Поперечный способ накачки
- •4.3.2 Продольный способ накачки
- •4.4. Дисперсионные резонаторы лазеров на красителях
- •4.4.1. Резонаторы с дифракционной решеткой
- •4.4.2. Резонаторы с оптическими призмами
- •4.4.3. Резонаторы с интерферометром Фабри-Перо
- •4.4.4. Лазеры на красителях с распределенной обратной связью
1.3.4. Зависимость мощности генерации со -лазера от температуры активной среды
Мощность генерации лазера определяется коэффициентом усиления активной среды, а коэффициент усиления, в свою очередь, пропорционален инверсии. Поэтому, чтобы определить зависимость мощности от температуры, необходимо определить зависимость от температуры инверсии населенностей на лазерном переходе, т.е. определить функцию [N (Т) — N (Т)]=f(Т), где N и N — населенности верхнего и нижнего уровней лазерного перехода соответственно. Прежде, чем перейти к определению этой функции, сделаем отступление в виде трех замечаний.
Замечание1
Оценим величину плотности тока разряда. Очевидно, она равна
J = j +j (1.10)
j=j +j =n eυ + n eυ = ne(υ + υ ) (1.11)
Т.к. υ >>υ , то формулу (1.11) можно записать в виде
j=j +j j (1.12)
Замечание 2
Оценим электрическую мощность, выделяемую в ГР. Если напряженность электрического поля в разряде Е, плотность тока (согласно замечанию 1) j j , выделяемая в разряде мощность Р, объем ГР V, то электрическая мощность, выделяемая в единице объема ГР, равна P/V=E виде j , откуда
P= (Ej )V (1.13)
Будем считать, что V = const, а изменяются только давление р газа и его температура Т. Тогда по закону Шарля
p/T=p /T , откуда p=T p /T , (1.14)
где p и T -начальные значения давления и температуры газа.
Известно, что давление — это энергия в единице объема. Тогда можно записать, что
p=Pt/V , откуда TP /T =jEt. (1.15)
Отсюда следует, что
Т~jE. (1.16)
Замечание 3
В результате интенсивного обмена между вращательными и поступательными степенями свободы молекул СО в рабочей смеси лазера устанавливается термодинамическое равновесие. Следовательно, распад населенности по вращательным подуровням подчиняется Больцмановскому закону:
N (1.17)
для СО -молекул В = 0,39 см , N — полная населенность на колебательном состоянии v, N — населенность на вращательном подуровне j колебательного состояния v.
После сделанных замечаний вернемся к обсуждению инверсии. Будем теперь исходить только из качественных соображений. Выделяющаяся в ГР электрическая мощность jE идет частично на резонансное возбуждение верхнего уровня (с КПД η 80%), а оставшаяся часть идет на нагревание газа (с КПД η 20%). Тогда
• в результате нагрева газа до температуры Т все состояния его молекул
в отсутствие лазерной генерации) приобретут некоторую заселенность, в том числе и нижнее состояние 1 лазерного перехода, которое будет находиться в равновесии с основным в соответствии с Больцмановским распределением:
N ~e , (1.18)
т.е. населенность нижнего уровня лазерного перехода будет экспоненциально увеличиваться с ростом температуры;
*верхнее состояние 2 лазерного перехода, ввиду более высокого расположения, практически не заселяется, поскольку для этого мала температура. Однако оно заселяется резонансным электронным ударом. Его заселенность N ~ j E ~ Т, т.е. населенность верхнего уровня лазерного перехода также будет увеличиваться с ростом температуры, но уже не по экспоненциальному закону, а линейному. Качественно зависимости N , (Т) и N (Т) приведены на рис. 26.
Рис. 26 Рис. 27
Наибольшее значение инверсии (N — N ) соответствует некоторой Т . В точке Т
N = N и инверсия пропадает. Если учесть,что имеет место генерация, а следовательно и релаксация с верхнего уровня, то зависимость N (Т) будет иной (пунктирная линии). Но качественно ход рассуждений не меняется. Для СО -лазеров Т 700 — 800К, а Т 400- 500К.
Таким образом, одним из основных условий работы -лазера является обеспечение и поддержание температуры его рабочей смеси вблизи значения Т . Недопустимость перегрева его рабочей смеси выше этого значения требует его эффективного охлаждения. Отвод теплоты от рабочей смеси СО -лазера может осуществляться либо за счет теплопроводности к охлаждаемой стенке разрядной трубки (диффузионное охлаждение), либо путем замены (прокачки) нагретой порции газа новой (конвективное охлаждение).
Иногда ГЛ с диффузионным охлаждением называют ГЛ с медленной прокачкой, а ГЛ с конвективным охлаждением — ГЛ с быстрой прокачкой. В свою очередь, прокачка смеси может осуществляться как вдоль оси разрядной камеры (продольная прокачка), так и перпендикулярно ей (поперечная прокачка). Рассмотрим эти способы подробнее.