Введення
Велику групу газових лазерів складають газорозрядні лазери, в яких активною середовищем є розріджений газ (тиск 1-10 мм рт. ст.), а накачування здійснюється електричним розрядом, який може бути тліючим або дуговим і створюється постійним струмом або змінним струмом високої частоти (10-50 МГц).
Існує кілька типів газорозрядних лазерів. У іонних лазерах випромінювання виходить за рахунок переходів електронів між енергетичними рівнями іонів. Прикладом служить аргоновий лазер, в якому використовується дугового розряд постійного струму.
Лазери на атомних переходах генерують за рахунок переходів електронів між енергетичними рівнями атомів. Ці лазери дають випромінювання з довжиною хвилі 0,4-100 мкм. Приклад - гелій-неоновий лазер, що працює на суміші гелію і неону під тиском близько 1 мм рт. ст. Для накачування служить тліючий розряд, створюваний постійною напругою приблизно 1000 В.
До газорозрядним відносяться також молекулярні лазери, в яких випромінювання виникає від переходів електронів між енергетичними рівнями молекул. Ці лазери мають широкий діапазон частот, відповідний довжинах хвиль від 0,2 до 50 мкм.
Найбільш поширений з молекулярних лазер на двоокису вуглецю (СО 2 -лазер). Він може давати потужність до 10 кВт і має досить високий ККД - близько 40%. До основного вуглекислому газу зазвичай ще додають домішки азоту, гелію і інших газів. Для накачування застосовують тліючий розряд постійного струму або високочастотний. Лазер на двоокису вуглецю створює випромінювання з довжиною хвилі близько 10 мкм.
1. Основні характеристики СО2-лазера
1.1 Пристрій СО 2 -лазера
Схематично він зображений на малюнку 1.1.
В
Малюнок 1.1 - Принцип пристрою СО 2 -лазера
Різновид СО 2 -лазерів - газодинамічні. У них інверсна населеність, необхідна для лазерного випромінювання, досягається за рахунок того, що газ, попередньо нагрітий до 1500 К при тиску 20-30 атм, надходить в робочу камеру, де він розширюється, а його температура і тиск різко знижуються. Такі лазери можуть дати безперервне випромінювання потужністю до 100 кВт.
Для створення активного середовища (як кажуть, В«накачуванняВ») СО2-лазерів найчастіше використовують тліючий розряд постійного струму. Останнім часом все ширше застосовують високочастотний розряд. Але це особлива тема. Високочастотний розряд і ті найважливіші застосування, які він знайшов у наш час (не тільки в лазерної техніці), - це тема окремої статті. Про загальні принципи роботи електророзрядних СО2-лазерів, проблеми, які при цьому виникають, та деяких конструкціях, заснованих на застосуванні розряду постійного струму.
У самому початку 70-х років в ході розробки потужних СО2-лазерів з'ясувалося, що розряду властиві незвідані досі риси і згубні для лазерів нестійкості. Вони ставлять майже нездоланні перешкоди спробам заповнити плазмою великий об'єм при підвищеному тиску, що якраз і потрібно для отримання великих лазерних потужностей. Мабуть, жодна з проблем прикладного характеру не послужила в останні десятиліття прогресу науки про електричному розряді в газах так, як завдання створення потужних СО2-лазерів безперервної дії.
1.2 Принцип роботи СО 2 лазера
Активної середовищем майже будь-якого лазера служить речовина, в певних молекулах або атомах якого в певній парі рівнів можна створити інверсну заселеність. Це означає, що кількість молекул, що знаходяться у верхньому квантовому стані, відповідному радіаційному лазерному переходу, перевищує кількість молекул, перебувають у нижньому. На відміну від звичайної ситуації промінь світла, проходячи через подібну середу, не поглинається, а посилюється, що відкриває можливість генерації випромінювання.
Інверсія в СО2-лазері створюється за допомогою електричного розряду, яким механізмом - буде сказано трохи нижче. Щоб промінь посилився у високому ступені, він повинен пройти в активній середовищі великий шлях. Для цього її поміщають в резонатор. Найпростіший резонатор - це два плоских дзеркала, від яких випадково зароджений промінь відбивається багаторазово. Одне з дзеркал - повністю відбиває (В«глухеВ»), інше - напівпрозоре, щоб випускати випромінювання. Ці загальні принципи майже в первозданному вигляді втілені в найпростішої конструкції СО2-лазера для невеликих потужностей, приблизно до 100 Вт (рис. 1).
У СО2-лазері використовується перехід між двома коливальними (точніше, коливально-обертальними) рівнями основного електронного стану молекули СО2. Довжина хвилі випромінювання l = 10,6 мкм належить далекої інфрачервоної області. Лінійна молекула СО2 може здійснювати коливання трьох типів. Частота n1 відповідає симетричним коливанням, n2 - деформаційним, n3 - антисиметричним. Лазерний квант випромінюється при переході зі ...
