стану 001 в 100; цифри означають квантові числа коливань n1, n2, n3. Можливий також перехід 001020 з l = 9,4 мкм дуже слабкий. Енергія лазерного кванта становить 41% енергії верхнього рівня 001. Це теоретичний межа для ККД лазера. Якби вся енергія при накачуванні йшла виключно на збудження рівня 001 СО2 і кожне збудження супроводжувалося радіаційним переходом 001100, енергія лазерного випромінювання становила б 41% витрат. Реальний ККД завжди значно нижче. p> Верхній лазерний рівень в СО2-лазері збуджується ударами електронів розрядної плазми. Тліючий розряд є одним з двох найбільш поширених видів газового розряду постійного струму (інший розряд - дугового). Тліючий розряд бачили всі - згадайте рекламні трубки на вулицях. Плазмовий стовп між електродами може бути зроблений будь-якої довжини, аби було докладено достатньо напруги. Стовп може як завгодно згинатися, повторюючи вигини трубки. У СО2-лазерах застосовують середні тиску газу, р ї 10-50 Торр (1 Торр = 1 мм рт. ст.). Слабоіонізованная плазма тліючого розряду зі ступенем іонізації 10 - 8-10 - 7 сильно неравновесна. Температура електронного газу Ті ~ 104 К набагато вище температури газу важких частинок Т, яка може не на багато перевищувати кімнатну (розрядної трубки нерідко можна торкнутися рукою). Ступінь іонізації на кілька порядків менше термодинамічно рівноважної, відповідної Ті.
Доцільність використання тліючого розряду для накачування СО2-лазера полягає в тому, що в молекулярних газах переважна частина виділяється енергії струму витрачається на збудження молекулярних коливань. Електричне поле, що підтримує плазму, повідомляє енергію електронам - носіям струму, а ті збуджують коливання. Особливо ефективний у цьому відношенні азот, де до 95% енергії переходить спочатку в коливання молекул. Разом з тим подальше перетворення цієї енергії в енергію їх поступального руху (В«в теплоВ») відбувається в азоті вкрай повільно. Оскільки енергія першого коливального рівня молекули N2 дуже близька до енергії рівня 001 СО2, відкривається можливість швидкого резонансної передачі коливального кванта від до СО2 прямого заселенням верхнього лазерного рівня. З цієї причини в робочий газ неодмінно додають азот, часто навіть в більшій кількості, ніж сам СО2.
Сильної інверсії сприяє не тільки інтенсивне заселення верхнього рівня 001, а й швидке розселення нижнього рівня 100, на який весь час надходять молекули, испустить лазерний квант. Але поряд із зіткненнями, дезактивирующими рівень 100, йде і його пряме збудження. В результаті заселеність рівня 100 виявляється не дуже далекій від рівноважної, відповідної поступальної температурі газу Т. Значить, для ефективної лазерної генерації температура газу повинна бути досить низькою. Практично неприпустимий нагрів газу більш ніж на 200С.
Тим часом у робочому газі виділяється дуже багато тепла. Не вся енергія електронів затрачається на збудження верхнього лазерного рівня СО2. Не всі потрапили на цей рівень молекули випромінюють лазерний квант. Якщо, як це зазвичай і буває, ККД лазера становить h ~ 10%, то 90% джоулева тепла струму йде в кінцевому рахунку на нагрів газу. Таким чином, забезпечення достатньо швидкого тепловідведення є необхідною умовою роботи СО2-лазера. У цьому відношенні дуже корисно присутність гелію в робочому газі. Легкий гелій, володіючи високою теплопровідністю, прискорює виведення тепла з розряду. Крім того, атоми гелію сприяють дезактивації нижнього лазерного рівня. Зазвичай підбирають оптимальний для кожної конструкції склад газу, наприклад в пропорціях СО2: N2: Чи не = 1: 1: 8 або 1: 6: 12 по числах молекул. Робоча суміш з часом псується (Розкладається СО2, утворюються шкідливі в деяких відносинах компоненти: СО, N2О та ін), так що суміш доводиться повільно оновлювати.
Зі сказаного вище ясно, чому слабоіонізірованная і тому сильнонерівноважних плазма тліючого (так само як і високочастотного) розряду хороша для СО2-лазера, а плазма звичайного дугового розряду не годиться. У дузі атмосферного тиску через щодо високого ступеня іонізації (10 - 3-10 - 2) плазма равновесна і температура газу висока
(Т 1000-10 000 К). br/>
1.3 Розрахунок основних показників СО 2 лазера
Основними параметрами характеризують СО 2 лазера, є
виділяється енергія випромінювання Е n , тривалості імпульсу генерації і можлива частота повторення імпульсів випромінювання f n . Середня потужність випромінювання в імпульсі при цьому складе
.
Енергія імпульсу лазерного випромінювання визначається можливими питомими енерговклада, об'ємом активного середовища і щільністю газу і визначається за формулою:
В
Розрахуємо ці величини за допомогою Mathсada.
В
Малюнок 1.2 - Розрахунок енергії імпульсу і потужності випромінювання. br/>
2. Тліючий розряд у СО 2 Лазаря
...
