Автор: Ilya Chindialov (2:5020/859.43)

Содержание

1. Введение ..…………………………..…………………......…………. 3
2. Квантовое описание лазера …………………………………..…….. 4
3. Получение инверсной заселённости, состав активной среды, температурный режим, регенератор .....................................…..... 9
4. Резонатор ...................................………………..……..……............

13
5. Характеристика газового разряда, ВАХ, потенциальная диаграмма

……………………………………………………………. 17
6. Заключение ………………………………………………..………….. 25
7. Список используемой литературы

................................................ 26

1. Введение

Из всех существующих лазеров (“Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation”) длительного действия наиболее мощными, продвинутыми в практическом отношении и приспособленными для резки материалов, сварки металлов, термического упрочнения поверхностей деталей и ряда других операций являются электроразрядные СО2-лазеры. Большой интерес к СО2- лазерам объясняется также и тем, что у этого лазера эффективность преобразования электрической энергии в энергию лазерного излучения в сочетании с максимально достижимой мощностью или энергии импульса значительно превосходит аналогичные параметры других типов лазеров. С помощью их излучения производят необычные химические реакции, разделяют изотопы. Имеются проекты передачи энергии с помощью СО2-лазеров с Земли в космос или из космоса на Землю, обсуждаются вопросы создания реактивного двигателя, использующего излучение лазера. За 33 года, прошедших со времени создания первого образца (С. Пател, 1964г.) их мощность в непрерывном режиме возросла от милливатта до многих киловатт. Сейчас выпускаются СО2- лазеры с мощностью до 10 кВт, в том числе более 50 типов СО2-лазеров с ВЧ- накачкой в диапазоне мощностей от 3 Вт до 5 кВт. При этом газовые лазеры с
ВЧ-возбуждением обладают целым рядом преимуществ по сравнению с лазерами, в которых для накачки рабочей среды применяется самостоятельный тлеющий разряд постоянного тока. В частности, их конструкция и технология изготовления проще, а надёжность, ресурс работы, удельные характеристики существенно выше чем у лазеров с накачкой постоянным током. Это позволяет уменьшить габариты и массу технологических СО2-лазеров мощностью (1 кВт настолько, что становится возможным размещение такого лазера на подвижном манипуляторе промышленного робота.

Сегодня известно большое количество различных конструкций газовых лазеров с ВЧ-возбуждением. Но в основе всего многообразия конструктивных решений лежит специфика пространственной структуры ВЧЕР, которая в большинстве случаев удачно совпадает с требованиями, предъявляемыми к активной среде лазера.

2. Квантовое описание лазера

Возбуждённая частица может перейти в менее энергетическое состояние самопроизвольно в результате спонтанного излучения, или, как его ещё называют, радиационного распада (рис. 1). Спонтанное излучение имеет чисто квантовую природу. Согласно квантовой механике атом или молекула не могут находиться в возбуждённом состоянии бесконечно долго. Возбуждённое состояние распадается с конечной скоростью, определяемой вероятностью этого перехода в единицу времени [pic], испуская при этом квант света с энергией h(0=(2-(1 А(2)(А(1)+ h(0 ([pic] - коэффициент Эйнштейна для спонтанных переходов). Изменение концентрации частиц N2 на верхнем уровне в результате спонтанных переходов описывается выражением [pic]. Кванты света, родившиеся в результате спонтанных переходов обладают одинаковой энергией но никоим образом не связаны между собой. Направления распространения этих квантов в пространстве равновероятны. Так как рождение кванта может с равной вероятностью произойти в любой момент времени, электромагнитные волны, соответствующие этим квантам, не связаны между собой по фазе и имеют произвольную поляризацию.

В отличие от спонтанных переходов, способных происходить в изолированной частице, безизлучательные переходы возможны только при наличии взаимодействия частицы А с другой частицей или системой частиц В. В результате такого взаимодействия частица переходит из состояния 1 в состояние 2 или наоборот без излучения кванта света и без его участия.
Процесс столкновительного возбуждения (рис.2) требует затраты кинетической энергии [pic] и протекает по схеме А(1)+В(А(2)+В. Процесс столкновительной релаксации на (рис.3) наоборот сопровождается переходом энергии [pic] в поступательную энергию взаимодействующих частиц либо тратится на возбуждение частицы В. Этот переход происходит по схеме
A(2)+B(A(1)+B+[pic]. Индуцированные, или, как их иногда называют, вынужденные переходы в соответствии с гипотезой А. Эйнштейна могут происходить только при взаимодействии частицы А с резонансными квантами, удовлетворяющими условию h(0=(2-(1 т.е вероятность индуцированных переходов отлична от нуля лишь во внешнем электромагнитном поле с резонансной частотой (0. А. Эйнштейн предположил, что при наличии поля резонансной частоты помимо переходов квантовой системы из состояния 1 в состояние 2, что соответствует резонансному поглощению квантов, протекающему по схеме
А(1)+h(0(A(2) (рис.4) возможны переходы по схеме А(2)+h(0(А(1)+2h(0
(рис.5). Данный процесс индуцирования или вынужденного излучения и служит основой квантовой электроники.

Однако энергия возбуждённых состояний не является фиксированной величиной даже в случае изолированной частицы. Согласно принципу неопределённости Гейзенберга неточность в определении энергии системы и времени её существования должна удовлетворять соотношению: [pic]. Поскольку
[pic]((0 то неопределённость энергии возбуждённого состояния составляет
[pic]. Такое энергетическое размытие уровней приводит к неопределённости частоты излучаемого кванта [pic]. Данное уширение частоты излучения называется естественная ширина линии и является минимально возможной.
Естественная ширина линии резко растёт с ростом ( (((3) и становится заметной в коротковолновой части спектра. Для основного перехода молекулы
СО2 лазера (0(5 сек и ширина [pic](0(3*10-2 Гц. Однако обычно ширина линии излучения определяется не спонтанным излучением а релаксационными безизлучательными переходами, происходящими при взаимодействии возбуждённой частицы с другими частицами. Любой релаксационный процесс приводит к сокращению времени жизни частицы в возбуждённом состоянии, а следовательно, к уширению соответствующей этому состоянию линии излучения. Релаксационное уширение происходит за счёт безизлучательных процессом при столкновении частиц и этот процесс называют столкновительное уширение. По аналогии с естественный шириной линии, принимая (cт - время жизни частицы в возбуждённом состоянии столкновительное уширенение определяется как [pic].
Время жизни частицы определяется через сечение этих процессов (ст[pic] Как правило возбуждённая частица взаимодействует с различными частицами и в общем случае (ст[pic], где суммирование проводится по всем видам взаимодействующих частиц. Столкновительное и естественное уширение вызвано одной той же причиной – конечным временем жизни частицы в возбуждённом состоянии. Форма линии уширения в обоих случаях определяется особенностью вероятностных процессов и поэтому одинакова. Она имеет так называемый лоренцев контур, описываемый форм-фактором [pic]. Выражение нормировано на единицу: [pic]. Уширение линии, связанное с конечностью времени жизни возбуждённого состояния, принято называть однородным. В случае однородного уширения каждая возбуждённая частица при переходе излучает линию с полной шириной [pic], спектральной формой [pic] и поглощает кванты с частотой, лежащей в пределах контура [pic]. При однородном уширении форма линии описывает спектральные характеристики каждой частицы и всех частиц в целом.
Но конечное время жизни частиц не является единственной причиной уширения линий. Излучающие частицы находятся, как правило, в тепловом движении. В соответствии с эффектом Доплера частота, испускаемая движущимся источником колебаний, претерпевает смещение, пропорциональное скорости движения излучателя V. Смещение частоты зависит также от угла ( между направлением движения и линией, соединяющей излучатель с приёмником и составляет [pic].
Так как излучающие частицы движутся с различными скоростями и в различных направлениях, то частотные сдвиги излучаемых ими линий различны. Поэтому даже в случае отсутствия столкновений неподвижный спектральный прибор будет регистрировать множество естественно уширенных линий, различно смещённых относительно частоты (0. Суперпозиция этих смещённых линий и даёт наблюдаемый профиль уширённой линии. Это так называемое доплеровское уширение линии является неоднородным. Каждая частица в описанной ситуации может излучать линию лишь в узком, определяемом естественным уширением, спектральном диапазоне, сдвинутом относительно (0 на конкретную величину, однозначно связанную со скоростью и направлением движения этой частицы.
Естественно, что и поглощать излучение с фиксированной частотой смогут только те частицы, доплеровский сдвиг которых соответствует этой частоте.
При максвелловском распределении излучающих частиц по скоростям [pic] где
[pic] - средняя тепловая скорость; m - масса частицы. При этом линия излучения имеет гауссов профиль, описываемый форм-фактором [pic].
Аналогично с [pic] выражение нормировано на единицу [pic].

В общем случае полная ширина линии излучения определяется всеми механизмами уширения. Однако в реальной ситуации чаще всего преобладающим является один. Это вызвано различным характером зависимости [pic] и [pic] от внешних условий. Так, например, в случае газовой излучающей среды [pic] линейно растёт с концентрацией частиц, а [pic] зависит только от температуры.
Поэтому при малых давлениях уширение будет определяться доплеровским эффектом, а при больших - столкновениями. Спектральное распределение излучаемой линии имеет вид симметричной резонансной кривой (рис.6) с максимумом на частоте (=(0, спадающей до уровня половины максимальной интенсивности при частотах [pic]. Наличие уширения энергетических уровней и излучаемых линий, не влияя на интегральную частоту вынужденных переходов, приводит к уменьшению вероятности переходов с конкретной длиной волны.
Т.к. линия излучения имеет спектральную форму q((), то вероятность спонтанного излучения с заданной частотой будет определяться полной вероятностью соответствующих переходов А12 и видом форм-фактора q(() т.е.
Wсп(()=А21*q(() где Wсп(()- вероятность спонтанного излучения. Вероятности спонтанного и вынужденных переходов связаны между собой, поэтому вероятность индуцированных излучения с заданной частотой W21(() также зависит от (: W21(()=B21*q(()*(V, B21 – коэффициент Эйнштейна для индуцированного излучения, [pic] – спектральная объёмная плотность излучения. Интегральная вероятность индуцированного излучения W21 при этом удовлетворяет условию [pic]. Для лоренцева вида линии форм-фактора такое интегрирование даёт [pic], для гауссова [pic], [pic], [pic]- объёмная плотность излучения, ( - дельта-функция. Сечение вынужденного фотоперехода для столкновительного уширения имеет вид: [pic], для доплеровской формы линии [pic], g1 – статистический вес уровня. Сечение вынужденного излучения
(21=(0*g1, вынужденного поглощения (12=(0*g2. Процессы индуцированного излучения сопровождаются усилением электромагнитных волн. Пусть через среду, в которой частицы могут находиться в состояниях 1 и 2 с энергиями возбуждения (1 и (2 проходит поток монохроматического излучения удовлетворяющего соотношению h(0=(2-(1. Пусть плотность частиц в этих состояниях N1 и N2. Уравнение баланса плотности фотонов в пучке имеет вид:
[pic] где np – объёмная концентрация фотонов. [pic]. Величину [pic] называют коэффициентом активной среды. Интенсивность света будет усиливается по мере прохождения через среду с К>0. В противном случае при
К0. В среде с термическим равновесием, где N1 и N2 подчиняются распределению Больцмана и где N2 всегда меньше N1, усиление света невозможно. Таким образом, усиление света может иметь место лишь при отсутствии термодинамического равновесия между уровнями 2 и 2, т.е. в неравновесной среде. Среду с N2*g1-
N1*g2>0 называют средой с инверсной населённостью. Наилучшие условия резонансного излучения получаются при больших скоростях заселения и временах жизни верхнего уровня активных частиц и малых значениях этих величин для нижнего уровня.

3. Получение инверсной заселённости, состав активной среды, температурный режим, регенератор
В лазере на основе СО2 используется четырёхуровневая система получения инверсной населённости между колебательными уровнями молекул. Молекула СО2 состоит из атома углерода и двух симметрично расположенных атомов кислорода, т.е. имеет линейную структуру О-С-О. Как видно из схемы на рис.
7 атомы кислорода могут совершать симметричные (мода (1ОО) и несимметричные
(асимметричные) (мода (3ОО), а также поперечные этому направлению так называемые деформационные колебания (мода (2LOO) - из-за наличия двух взаимно перпендикулярных направлений этот тип колебаний является дважды вырожденным. Употребляемые для описания состояния колебательно-возбуждённой молекулы квантовые числа (1, (2L и (3 характеризуют число квантов, соответствующих колебанию данного типа, L указывает поляризацию деформированного колебания. Лазерный квант излучается при переходе из состояния 001 в 100 (цифры обозначают колебательные квантовые числа в модах
(1, (2L и (3 соответственно). Возможен также переход 001(020 с длиной волны
(=9.4 мкм, но он обычно гораздо слабее. Для получения оптимальных условий в рабочую смесь СО2-лазера помимо углекислого газа добавляют азот и гелий.

Время жизни верхнего лазерного уровня СО2 относительно спонтанных переходов составляет (0.2 с (А21(5.1 с-1). Поэтому более интенсивно верхние и нижние лазерные уровни расселяются (релаксируют) в результате безизлучательных переходов при столкновениях возбуждённой молекулы с невозбуждёнными компонентами лазерной среды по схеме на рис. 3. Однако высокая эффективность получения инверсной заселённости в газоразрядных СО2- лазерах обусловлена рядом причин. В электрическом разряде с высокой эффективностью образуются колебательно-возбуждённые молекулы N2, составляющие до 50% их общего числа. Поскольку молекула N2 состоит из двух одинаковых ядер, её дипольное излучение запрещено и она может дезактивироваться только при столкновении со стенкой или с другими молекулами. При наличии СО2 колебательная энергия N2 может быть легко передана молекулам СО2 поскольку существует близкий резонанс между колебаниями N2 и модой (3 колебаний СО2. Уровень 001 только на 18 см-1 лежит выше первого колебательного уровня азота и необходимый недостаток энергии молекулы СО2 могут получать от кинетической энергии азота. В результате энергия, затрачиваемая на возбуждение верхнего лазерного уровня и характеризуемая КПД разряда (к, для смесей СО2-N2-He может превышать 80%.
При наличии азота в смеси время релаксации, запасённой верхним уровнем энергии (э увеличивается и становится равным [pic]. При средней плотности выделяемой в положительном столбе разряда мощности заселённость верхнего лазерного уровня в отсутствии генерации будет [pic]. Создание инверсии требует малой населённости нижнего лазерного уровня. В условиях отсутствия генерации нижние уровни СО2 находятся в тепловом равновесии с основным, их относительная заселённость ([pic]. Для поддержания стационарной генерации нижние уровни СО2 необходимо расселять. Этот процесс обеспечивается добавлением в лазерную смесь расселяющих компонент, из которых наиболее эффективен гелий. Также помимо эффективного расселения уровня 100 гелий обеспечивает хороший теплоотвод от рабочей среды за счёт теплопроводности и оказывает стабилизирующее действие на заряд, поэтому в подавляющем большинстве существующих технологических лазеров предпочтение отдаётся ему. Таким образом, эффективная работа СО2-ляазера требует трёхкомпонентной лазерной смеси. Определение состава рабочей среды лазера является сложной оптимизационной задачей, решение которой необходимо проводить в каждом конкретном случае. Для диффузионного СО2-лазера часто используется смесь СО2:N2:He в соотношении 1:1:3.

Частотный спектр генерации СО2-лазера имеет достаточно сложный вид.
Причиной этого является наличие тонкой структуры колебательных уровней, обусловленной существованием ещё одной степени свободы молекулы СО2 – вращения. Из-за вращения молекулы каждый изображённый на рис. 7 колебательный уровень распадается на большое количество вращательных подуровней, характеризуемых квантовым числом j и отстоящих друг от друга на величину энергии ((вр, (001, (100, kTr. В результате интенсивного обмена энергий между вращательной и поступательной степенями свободы устанавливается больцмановское распределение частиц по вращательным состояниям, описываемое уравнением [pic], где N( , N(,j – концентрации возбужденных частиц на колебательном уровне ( и на его вращательных подуровнях j; [pic]= 0,38 см-1 – вращательная константа. Согласно правилам отбора в молекуле СО2 переходы между двумя различными колебательными уровнями возможны при изменении вращательного квантового числа на 1 т.е.
(j=(1. Таким образом, линия усиления рабочей среды состоит из большого числа линий, каждая из которых уширена за счёт эффекта Доплера на величину
[pic] и за счёт столкновений на величину [pic] и для СО2-лазера вычисляются
: [pic]
[pic], где рi – парциальные давления компонент смеси.

Коэффициент усиления активной среды СО2-лазера существенно зависит от температуры рабочей смеси Тг. Процессы накачки лазерной смеси и генерации неизменно сопровождается нагревом газа. Температура лазерной смеси Тг в установившемся состоянии пропорциональна мощности энерговыделения в разряде, т.е. Тг(jE. В отсутствие генерации заселенность верхнего лазерного уровня также пропорциональна jE. Поэтому если время столкновительной релаксации [pic] не зависит от температуры газа и N001(Тг, учёт возрастания
[pic] с ростом Тг лишь ослабит зависимость N001(Тг) (пунктирная линия).
Заселённость нижнего лазерного уровня находится в равновесии с основным и описывается законом Больцмана N100([pic]. В связи с этим при достижении некоторой критической температуры Тmax инверсная заселённость лазерной смеси исчезает. Максимальная инверсия достигается при оптимальных температурах смеси Торt. Для смеси с (г(1,5*10-1 Вт/(м*К), Тстенки(300К зависимость населённости лазерных уровней от температуры показана на рис.
8. Типичные значения Тopt(400...500К, Тмах(700...800К.

Под действием электронных ударов и в результате столкновений возбуждённых молекул в тлеющем разряде в СО2-лазерах происходит частичная диссоциация углекислого газа СО2 ( СО + О. Отношение концентраций СО к СО2 может достигать (12%, содержание О2 – 0,8%. Из-за этого при сохраняющемся энерговкладе возрастают потери на диссоциацию, возбуждение электронных состояний и возбуждение колебаний СО и О2. Поэтому населённость верхнего рабочего уровня СО2 падает и коэффициент усиления уменьшается. Поскольку ресурс работы СО2-лазера, определенный требованиями экономичности установки, оценивается несколькими сотнями часов, а существенный рост доли
СО и О2 определяется минутами, необходимо включение в контур регенератора, в котором частично восстанавливается рабочая смесь. В диффузионном СО2- лазере целесообразно применение цеолита (SiO4+AlO4) в количестве 20мг, насыщенного парами H2O.

4. Резонатор

Резонатор является оптической системой, позволяющей сформировать стоячую электромагнитную волну и получить высокую интенсивность излучения, необходимую для эффективного протекания процессов вынужденного излучения возбуждённых частиц рабочего тела лазера, а следовательно, когерентного усиления генерируемой волны. Оптические резонаторы в квантовой электронике не только увеличивают время жизни кванта в системе и вероятность вынужденных переходов, но и так же, как резонансные контуры и волноводы определяют спектральные характеристики излучения.

В длинноволновом диапазоне классической электроники длина волны излучения существенно больше размеров контура и его спектральные характеристики определяются сосредоточенными параметрами электрической цепи. Длинные радиоволны при этом излучаются в пространство практически изотропно. При сокращении длины волны и переход в СВЧ-диапазону для формирования электромагнитной волны используются пустотелые объёмные резонаторы с размерами, сравнимыми с длиной волны. При этом появляется возможность формирования направленных (анизотропных) распределений излучения в пространстве с помощью внешних антенн. В ИК и видимом диапазоне длина волны излучения много меньше размеров резонатора. В этом случае оптический резонатор определяет не только частоту, но и пространственные характеристики излучения.

Простейшим типом резонатора является резонатор Фабри-Перо, состоящий из двух параллельных зеркал, расположенных друг от друга на расстоянии Lp.
В технологических лазерах резонатор Фабри-Перо используется крайне редко из- за больших дифракционных потерь. Чаще используются резонаторы с одной или двумя сферическими отражающими поверхностями. Свойства этих резонаторов зависят от знака и величины радиуса их кривизны R, а также от Lp и определяются стабильностью существования в нём электромагнитной волны.

В так называемом устойчивом (стабильном) резонаторе распределение поля воспроизводится идентично при многократных проходах излучения между зеркалами и имеет стационарный характер. В результате попеременного отражения электромагнитных волн от зеркал волна формируется таким образом, что в приближении геометрической оптики не выходит за пределы зеркал в поперечном направлении и выводится из устойчивого резонатора только благодаря частичному пропусканию самих отражающих элементов. В случае отсутствия потерь, излучение могло бы существовать в устойчивом резонаторе бесконечно долго. В неустойчивом (нестабильном) резонаторе световые пучки
(или описывающие их электромагнитные волны) в результате последовательных отражений от зеркал перемещаются в поперечном оси резонатора направлении к периферии и покидают его.

Свойства резонаторов и характеристики создаваемых ими пучков можно описывать и в волновом, и в геометрическом приближении. В качестве критерия применимости этих приближений удобно использовать так называемое число
Френеля [pic], где a, L – характерные размеры задачи поперёк пучка и вдоль направления его распространения. Условие NF>>1 соответствует применимости геометрического приближения. При NF(1 необходимо учитывать также волновые свойства электромагнитного излучения.