Расчет параметров и геометрии излучателя

Расчет параметров и геометрии излучателя выполняется методом последовательных приближений.

Вначале подбирают компонентный состав газовой смеси CO₂:N₂:He (от 1:1:4 до 1:1:10). Чем больше в смеси гелия, тем ниже температура газа, однако одновременно снижаются усилительные свойства активной среды.

В области давлений газовой смеси более 10 мм рт.ст. полоса линии излучения в CO₂-лазере определяется преимущественно столкновительными процессами (однородное уширение):

Δν_одн = 7,58(x_C +0.78x_N +0,6x_H)p(300/T_г)^1/2. (2.1)

В этой формуле p – давление газовой смеси в мм рт.ст.; Δν_одн – ширина линии излучения в мегагерцах; x_C, x_N и x_H – доля газовых компонент CO₂, N₂ и He; T_г – температура газа, выраженная в кельвинах.

Температуру газа вначале принимают равной 400 К, после чего по формуле (2.1) рассчитывают давление. В дальнейшем после выполнения теплового расчета прибора давление газа следует уточнить, если расчетное значение температуры окажется отличным от исходного более чем на 20⁰.

Ширина линии неоднородного уширения Δν_нд рассчитывается по формуле (1.10, а). По этим данным определяется коэффициент γ.

Поскольку расселение нижних лазерных уровней определяется преимущественно релаксацией молекулы CO₂ при столкновении со стенками разрядного канала, оптимальный диаметр канала d уменьшается с увеличением давления и составляет примерно

, см. (2.2)

На начальных этапах расчета диаметра целесообразно ориентироваться на минимальную цифру в числителе. Если после расчета потерь выявятся трудности с обеспечением требуемой мощности излучения, диаметр канала следует увеличить.

Для оптимального режима работы лазера без прокачки газовой смеси справедлива следующая зависимость ненасыщенного коэффициента усиления от диаметра разрядного канала, см^-1:

(k_νo)_max . (2.3)

(Здесь и во всех других случаях, за исключением расчета теплового режима, все линейные размеры должны подставляться в сантиметрах.)

Из анализа многочисленных экспериментальных зависимостей получены следующие формулы, определяющие величину параметра насыщения, Вт/см².

При d < 2мм

J_S = 0,27pΔν_одd. (2.4)

При d > 2мм

J_S = 0,054pΔν_од. (2.4, а)

(Как и в предыдущих случаях, давление газа p здесь указывается в миллиметрах ртутного столба, ширина спектральной линии Δν_од – в мегагерцах, диаметр d – в сантиметрах.)

Мощность излучения растет с увеличением длины активного элемента ℓ. В первом приближении можно выбрать

ℓ = (3,3…10) P_вых. (2.5)

(Выходная мощность P_вых указывается в ваттах, длина ℓ получается в сантиметрах.)

Следующим этапом является расчет потерь в активном элементе.

Расчет дифракционных потерь начинается с выбора наиболее приемлемого типа резонатора (симметричного, полусимметричного либо с произвольным соотношением радиуса кривизны зеркал). Расстояние между зеркалами (длина резонатора) L выбирается из конструктивных соображений так, чтобы в пространстве между зеркалами можно было бы разместить активный участок разрядного канала длиной ℓ, вспомогательные крепежные элементы и юстировочные узлы резонатора. В случае лазера с внешними зеркалами необходимо предусмотреть возможность установки окон из соответствующего материала, наклонно расположенных под углом Брюстера. Затем из условий устойчивости (1.19) выбираются радиусы кривизны зеркал. (Рекомендуемые значения: 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2; 5;10; 20 м.). По этим данным рассчитываются параметры гауссова пучка, дифракционные потери δ_д и условия обеспечения заданного модового состава излучения (раздел 1.4).

При малых диаметрах разрядного канала (d<1,5мм) и, соответственно, малых значениях апертуры зеркал дифракционные потери могут оказаться столь значительными, что сделают невозможной генерацию лазерного излучения. В этом случае следует перейти к волноводному режиму работы лазера. При волноводном режиме электромагнитное поле в резонаторе формируется с участием многократных отражений от боковых стенок разрядного канала.

В волноводном режиме вместо дифракционных потерь рассматриваются потери на распространение β_р, связанные с поглощением и рассеиванием излучения на стенках разрядного канала. Потери на рассеяние зависят от свойств материала оболочки и качества обработки ее поверхности. Внутреннюю поверхность оболочки тщательно полируют, а форма канала делается близкой к идеальной. Приемлемые параметры лазера в волноводном режиме работы можно получить, если неровности, связанные с шероховатостью не превышают 1 мкм, а радиус кривизны канала – не менее 100 м. В этом случае соответствующие распределенные потери рассчитываются по формуле

β_р= 1,17·10^-6Re(ν)/d³ + 0,01/ℓ, (2.6)

где Re(ν) – действительная часть от комплексного параметра показателя распространения излучения в данном материале.

Для окиси алюминия (керамика ВК-94Б) Re(ν) = 1,3…1,8; для окиси кремния (кварцевое стекло) Re(ν) = 1,5…1,8; для окиси бериллия Re(ν) = 0,033…0,1. Конкретное значение Re(ν) зависит от качества обработки материала. У промышленных образцов этот параметр обычно соответствует максимальному из указанных выше значений. Кроме того, следует учитывать, что наиболее эффективный материал – окись бериллия – обладает чрезвычайно высокой токсичностью. В то же время кварцевое стекло – один из самых дешевых материалов - обладает низкой теплопроводностью, что затрудняет проблему обеспечения номинального теплового режима.

В силу особенностей формирования электромагнитного поля в условиях волноводного режима возникают потери в просвете между краем волноводного канала и поверхностью зеркала. Анализ условия возникновения таких потерь приводит к выражению

, (2.7)

где Δ – зазор между зеркалом и краем волноводного канала.

Особенностью волноводных лазеров является возможность перестройки генерируемой частоты в пределах полосы контура усиления газовой среды. Контур усиления волноводного лазера может составлять от 100 до 600 МГц. Ширина линии излучения перестраиваемой частоты определяется добротностью резонатора.

Система перестройки должна проектироваться с учетом особенностей лазерных переходов в молекулах углекислого газа. Указанные на рис. 2.1 параметры излучательных переходов лишь приближенно описывают реальные процессы в молекулярной структуре CO₂. Строгое описание должно включать закономерности переходов с учетом вращательных состояний. Так же, как и колебательные состояния, вращательные квантованы. Правила отбора для переходов между вращательными уровнями в молекуле CO₂, имеющей симметричную структуру, соответствуют условию ΔJ = ±1, где J – квантовое число вращательного состояния. В соответствии с этим условием оптические переходы возможны, когда J₂ = J₁ – 1 (P-ветвь), либо, когда J₂ = J₁ + 1 (R-ветвь). (Индекс 2 соответствует верхнему лазерному уровню, 1 – нижнему.) Наибольший коэффициент усиления для переходов 00⁰1 – 10⁰0 наблюдается, когда J₂ = 23…25 на P – ветви. Частотный интервал между соседними вращательными уровнями соответствует примерно 60 ГГц.

В случае двухзеркальных резонаторов условие резонанса (L = q∙λ/2) при длине волны 10,6 мкм и расстоянии между зеркалами 20 см выполняется при q ≈ 40000. Изменению частоты на 60 ГГц соответствует Δq = 80. Столь малое изменение числа полуволн может возникнуть произвольно при продольном перемещении зеркал («перескок» частоты излучения). Такое явление недопустимо в тех случаях, когда необходима плавная перестройка частоты излучения (волноводный режим генерации). Перескоки по частоте можно исключить, если одно из зеркал заменить дифракционной решеткой.

Для обеспечения отражения излучения от дифракционной решетки в направлении, противоположном падающему, должно выполняться условие:

2bsinθ = nλ,

где b – постоянная решетки; θ – угол падения, n = ±1,±2,±3….

Типичный вариант дифракционной решетки для волноводных лазеров – решетка с периодичностью штрихов150 мм^-1, что соответствует расстоянию между соседними линиями решетки b = 6,67 мкм. При длине волны 10,6 мкм условие автоколлимации для такой решетки может выполняться только при n = 1. Перестройка обычно осуществляется за счет линейного перемещения либо решетки, либо выходного зеркала.

В лазерах с внешними зеркалами, а также в тех случаях, когда специально оговаривается необходимость поляризованного излучения, неизбежны потери на поглощение в окнах. Свойства материалов, используемых в качестве окон, а также подложек выходных зеркал CO₂-лазеров, представлены в табл. 2.1.

 

 

Таблица 2.1

Свойства материалов оптических окон и подложек зеркал CO₂-лазеров

Материал	Коэффициент преломления n	Показатель поглощения β,см-1
KCl (высокочистый)	1,46	0,0004
KCl (упрочненный)	1,46	0,001
NaCl (высокочистый)	1,49	0,001
NaCl (упрочненный)	1,49	0,0015
GaAs	3,3	0,03
Ge	4,3	0,03

 

Для обеспечения минимальных потерь окна устанавливают под углом Брюстера

θ_б = arctg(n). (2.8)

Излучение получается поляризованным. Показатель поглощения β необходимо учитывать при расчете потерь на поглощение в окнах (в современных приборах чаще всего это одно окно). Потери, связанные с поглощением в окнах, определяются выражением:

, (2.9)

где Δ_o – толщина окна (2…3 мм).

При выборе материала окон и материала подложек зеркал следует учитывать, что наиболее дешевые материалы – хлористый калий и хлористый натрий обладают значительной гигроскопичностью, и это затрудняет их применение в качестве материалов внешних элементов конструкции лазера.

Потери, связанные с неточностью установки зеркал,

δ_φ = 1-exp[-16Δφ/(πd)]. (2.10)

Неточность установки зеркал определяется техническими возможностями и нестабильностью положения зеркал из-за тепловых деформаций. В условиях современного производства можно принять Δφ ≈ 2,4∙10^-5.

В CO₂-лазерах благодаря высокому коэффициенту усиления в качестве глухого могут применяться зеркала на металлической основе либо кварцевые с металлическим покрытием. Данные о коэффициенте отражения таких зеркал на длине волны 10,6 мкм представлены в табл. 2.2.

Как видно из таблицы, наибольшей отражающей способностью обладают покрытия из серебра, золота и алюминия. Однако серебряный слой механически непрочен и химически мало устойчив. На воздухе серебро быстро тускнеет, что приводит к снижению его коэффициента отражения. Поэтому для внешних покрытий оно почти не применяется. Выбор материала зеркал мощных лазеров во многом определяется теплопроводностью. Из этих соображений обычно выбирают медь или сталь.

Таблица 2.2

Коэффициент отражения металлов

Материал	Al	Au	Cu	Ag	Сталь
Коэффициент отражения, ρ	0,97	0,98	0,98	0,99	0,94

 

Более высокий, чем у металлов, коэффициент отражения может быть обеспечен применением интерференционных покрытий, наносимых вакуумным напылением на подложку из материала с высокой прозрачностью на длине волны 10,6 мкм. Количество слоев из интерференционных материалов для зеркал CO₂-лазеров может колебаться от 1 до 5. Методика расчета коэффициента отражения ρ описана в разделе 1.6. Список используемых материалов для интерференционных покрытий зеркал СО₂-лазера представлен в табл. 2.3.

Потери, связанные с неполным отражением глухого зеркала (либо дифракционной решетки),

δ₁ = ln(1/ρ₁). (2.11)

Таблица 2.3

Материал интерференционных покрытий зеркал CO₂-лазеров

Материал	Na3AlF6	MgF2	BF2	ThF4	KBr	CsJ
Коэффициент преломления	1,35	1,38	1,40	1,50	1,52	1,74

 

Материал	AgCl	ThO2	ZnS	ZnSe	CdTe	Ge	Te
Коэффициент преломления	1,98	2,00	2,30	2,50	2,67	4,3	4,9

Потери, связанные с несовершенством поверхности полупрозрачного зеркала,

δ_з ≈ 0,005. (2.12)

Суммарные потери в активном элементе

Π = 2β_рℓ - . (2.13)

(Для обычного – не волноводного лазера β_р = 0.)

Найденные значения потерь и значения коэффициента пропускания выходного зеркала позволяют рассчитать выходную мощность спроектированного лазера, (раздел 1.5.).

Величина средней площади генерируемой моды S_ср для обычного лазера рассчитывается по формуле (1.26). В случае волноводного режима

S_ср = πd²/4.

Заключительным этапом является расчет выходного зеркала. Подбором материала подложки (табл. 2.1), материала интерференционных покрытий (табл. 2.3) и количества слоев добиваются максимально возможного соответствия между оптимальным значением коэффициента пропускания (T₂) и рассчитанным по формуле (1.30) (T₂=1- ρ₂).

Если по результатам расчета выходная мощность окажется меньше заданной либо сильно завышенной (более чем на 5 %), расчет геометрии лазера следует повторить, введя необходимые поправки в систему величин, выбор которых оценивается определенным диапазоном возможных значений.

Тепловой расчет лазера

Энергетический КПД CO₂-лазеров составляет η ≈ 12%, поэтому электрическая мощность, выделяющаяся в газовом разряде, может быть рассчитана по формуле

P_эл = P_вых /η. (2.15)

Продольная напряженность электрического поля в разрядном канале пропорциональна давлению. По результатам экспериментальных исследований CO₂-лазеров получено соотношение

Е ≈ 10р, (2.16)

где p – давление в мм рт.ст., E – напряженность электрического поля в В/см.

Падение напряжения на разрядном канале

U = E ℓ. (2.17)

Падение напряжения может составлять значительную величину – более 10 кВ. В этом случае желательно перейти к двухплечевой схеме питания (рис.П.2.3). В этом случае

U = 0,5 E ℓ. (2.17, а)

Ток разряда, А

I = P_эл /U.

Если по результатам расчета электрического режима будет установлено, что требуется источник питания более 15 кВ (даже при двухплечевой схеме), целесообразно накачку лазера осуществлять высокочастотным (ВЧ) электрическим разрядом. При проектировании лазера с ВЧ накачкой можно ограничиться только расчетом энерговклада.

Мощность излучения CO₂-лазера падает с увеличением температуры, поэтому охлаждение лазера должно быть достаточно эффективным. Из-за относительно высоких значений погонной мощности, выделяющейся в разряде, применяется принудительное жидкостное, чаще всего водяное охлаждение. Вода является наиболее эффективным теплоносителем, но по условиям эксплуатации (необходимость работы в условиях отрицательных температур, необходимость электроизоляции токовводов и т.д.) используют иногда другие жидкости. Эти случаи всегда оговариваются. Указывается также средняя температура рабочей жидкости T_S. Если температура не задана, ее принимают равной 20⁰С.

Выбирают, если не указан в задании, объемный расход охлаждающей жидкости V. При выборе объемного расхода следует учитывать, что наиболее доступный источник рабочей жидкости - водопроводная сеть, обеспечивающая подачу воды с производительностью 15 л/мин. В ряде случаев такой объемный расход оказывается избыточным. В этих случаях целесообразно принять V = 3…5 л/мин, тем более что гидродинамическое сопротивление каналов охлаждения газовых лазеров часто бывает недостаточным для прохождения потока с производительностью 15 л/мин.

Исходя из особенностей конструктивного исполнения, выбирают величину зазора δ_к (обычно δ_к = 2…4 мм) и протяженность L_к канала охлаждения.

Площадь поперечного сечения кольцевого канала системы охлаждения

F_к = πδ_к(D_к + D_б)/2, (2.18)

D_к = d +2δ_о - внешний диаметр оболочки разрядного канала, D_б = D_к + 2δ_к – внутренний диаметр рубашки охлаждения, δ_о – толщина стенок разрядного канала. Для канала из кварцевого стекла толщина стенок выбирается в пределах 2…3 мм, для керамического канала δ_о ≈ 5 мм.

В приборах с ВЧ накачкой канал системы охлаждения имеет прямоугольную форму, поскольку располагается на электродах системы накачки (рис.П.2.4). Ширина канала a принимается равной ширине электродов, а поперечный размер b – в пределах 2…3 мм. Для таких каналов

F_к = a b. (2.18, а)

Расчет теплоотвода выполняется по критериальным уравнениям, составленным в результате экспериментальных исследований и обработанных методами теории подобия.

Критерий Рейнольдса, определяющий скоростной режим движения жидкости,

Re = vd_эф/ν,

где v = V/F_к - скорость движения теплоносителя, d_эф- эффективный диаметр канала охлаждения, ν – коэффициент кинематической вязкости рабочей жидкости (табл. 2.4.).

В случае кольцевого канала d_эф = 2δ_к.

Если канал прямоугольной формы - d_эф=2ab/(a+b).

Расчет теплоотдачи выполняется по разным формулам в зависимости от степени турбулизации потока жидкости.

При Re > 10000 (устойчивый турбулентный режим)

Nu = 0,023 ε_lRe^0,8Pr^0,4. (2.19)

При 2400 < Re < 10000 (переходной режим)

Nu = 0,023 ε_l k Re^0,8Pr^0,4. (2.19, а)

При Re < 2200 (ламинарный режим) Nu = 4,6.

Таблица 2.4

Теплофизические характеристики рабочих жидкостей

Жидкость	ТS, 0С	Плотность γ, кг/м3	Коэф. теплопров. κж, Вт/(м град)	Коэф. кинемат. вязкости ν·106, м2/с	Удельная теплоемкость Cp, Дж/(кг·град)	Pr
Вода			0,597	1,006		7,03
		0,627	0,659		4,36
ПМС-5			0,124	5,146		61,70
		0,121	3,812		58,02
ПМС-10			0,137	9,772		102,68
		0,134	7,292		80,27
Этилен-гликоль			0,249	19,18		204,9
		0,256	8,69		92,46

Примечание. Для приведения в соответствие геометрии системы охлаждения с характеристиками теплоносителя все линейные размеры системы охлаждения следует выражать в метрах.

В этих формулах Pr – критерий Прандтля; Nu = - критерий Нуссельта; k – поправочный коэффициент переходного режима (табл.2.5); ε_l – поправочный коэффициент, учитывающий условия стабилизации скоростного режима (табл.2.6); κ_ж– коэффициент теплопроводности жидкости; α – коэффициент теплоотдачи.

Таблица 2.5

Значения поправочного коэффициента k

Re	>10000
k		0,89	0,81	0,65	0,55	0,40	0,27

 

Таблица 2.6

Значения поправочного коэффициента ε_l

Lк/dэф	>50
εl	1,0	1,03	1,07	1,13	1,17	1,23	1,34	1,50

 

По результатам расчета критерия Нуссельта определяется коэффициент теплоотдачи

. (2.20)

Зная величину коэффициента теплоотдачи, несложно определить температуру стенок канала охлаждения.

Если канал кольцевой формы,

T_к = T_S + . (2.21)

В случае канала прямоугольной формы

T_к = T_S + . (2.21, а)

Температура внутренней поверхности разрядного капилляра круглого сечения (накачка продольным разрядом)

, (2.22)

где κ_с – коэффициент теплопроводности материала стенок разрядного капилляра (табл. 2.7).

Если накачка осуществляется поперечным ВЧ разрядом, охлаждаемая поверхность разрядного канала плоская. В этом случае температура внутренней стороны стенок канала

, (2.22, а)

где h – расстояние между электродами ВЧ накачки (рис. П.2.4).

Таблица 2.7

Коэффициент теплопроводности материала оболочки

Материал	Коэффициент теплопроводности κс, Вт/(м град)
Стекло кварцевое С5-1	1,4
Керамика ВК-94Б	13,4
Керамика бериллиевая

 

Температура газа при накачке продольным разрядом

. (2.23)

В случае поперечной ВЧ накачки

. (2.23, а)

В этих формулах κ_г – коэффициент теплопроводности газовой смеси.

Для смеси произвольного состава справедливо следующее выражение (уравнение Васильевой):

, (2.24)

где κ_i – коэффициент теплопроводности данного компонента,

x_i – доля i-го компонента в газовом составе,

,

где M_i – массовое число молекулы,

μ_i – вязкость i-го компонента (табл.2.8). Расчет κ_г можно несколько упростить, если учесть, что

.

Таблица 2.8

Свойства основных компонентов газового состава CO₂-лазера

Параметр	CO2	N2	He
M
κ, Вт/(м град)	0,0181	0,0273	0,157
Μ·107, Па·с	159,9	187,0	207,6

 

Если расчетное значение T_г окажется более чем на 20⁰ отличающимся от значения температуры газа, принятой в начале расчета, все предыдущие этапы, начиная с определения давления газовой смеси (2.1), следует провести заново.

2.1.3. Элементы конструкции излучателя CO₂-лазера

При конструировании излучателя СО₂-лазера в первую очередь прорабатываются общая компоновка его элементов, форма и материал оболочки разрядного капилляра и балластного объема, а также конструкция юстировочных узлов и элементов системы охлаждения.

Среди материалов оболочки газовых лазеров традиционно первое место занимает стекло. Этот материал обладает высокими электроизоляционными свойствами, высокой вакуумной плотностью, прозрачен в широком диапазоне видимого спектра, имеет высокую коррозионную устойчивость. К тому же при нагреве до температур свыше 500 ⁰С стекло приобретает пластичность и хорошо сваривается в системах стекло-стекло и стекло-металл, сохраняя при этом высокую вакуумную плотность. Все это позволяет изготавливать приборы очень сложной формы. Недостатками стекла являются его хрупкость при обычных температурах, невысокая теплопроводность и низкая термостойкость. Эти недостатки исключают возможность применения обычных сортов стекол в качестве материала оболочки мощных приборов. Исключением является кварцевое стекло, обладающее приемлемой термостойкостью и достаточной механической прочностью. Недостатками кварцевого стекла являются: высокая температура размягчения, высокая стоимость и сложность технологических циклов изготовления изделий на его основе. Кроме того, кварцевое стекло имеет очень низкий коэффициент термического расширения, что исключает возможность создания согласованных спаев с металлическими выводами, а это в свою очередь снижает вакуумную плотность металлостеклянных соединений.

Примером металлостеклянного варианта может служить конструкция излучателя из кварцевого стекла (см. приложение 2, рис. П.2.2).

Рубашка охлаждения такого лазера располагается в промежутке между разрядным каналом и балластным объемом. Балластный объем сообщается с разрядным каналом через отверстие в одном из изоляторов электрического вывода.

На концах патрубка разрядного капилляра укреплены: с одной стороны окно (3), устанавливаемое под углом Брюстера, с другой – глухое зеркало (8) с отражающим покрытием, напыляемым на кварцевую подложку. Выходное зеркало закрепляется на торцевой стороне специальной втулки пьезоэлектрического корректора (1). Окно, глухое зеркало и пьезокорректор соединены с оболочкой посредством клеевого компаунда К-400. Юстировка резонатора производится в процессе формирования клеевых соединений.

Пьезокорректор обеспечивает возможность перестройки лазера в пределах нескольких вращательных линий и автоматическую корректировку установленного режима по максимуму излучаемой мощности. В данном приборе используется биморфная конструкция в виде двух пьезоэлектрических пластин, соединенных таким образом, что при подаче управляющего напряжения возникает изгиб, который приводит к продольному перемещению полупрозрачного зеркала. Внешний диаметр пластин 38 мм, внутренний – 16 мм.

Электрические выводы системы накачки (5,5’) соединены с кварцевой оболочкой в виде несогласованных ленточных спаев. В стеклянном патрубке одного из выводов предусмотрено отверстие, сообщающее балластный объем с разрядным каналом.

Следующим вариантом конструктивного исполнения СО₂-лазера является лазер в металлокерамическом исполнении (рис. П.2.3). Активный элемент с керамической оболочкой из вакуумной керамики ВК-94Б (прежнее название 22ХС) гораздо сложнее в изготовлении, но обеспечивает более высокие механические характеристики изделия. Вакуумноплотное соединение с металлическими деталями осуществляется в виде многоступенчатых спаев. Наиболее распространенным металлом для спая с керамикой ВК-94Б является сплав ковар (марка НК29К18), обладающий коэффициентом термического расширения, близким к КТР вакуумных стекол молибденовой группы и многих сортов керамики.

В рассматриваемом варианте металлокерамического прибора оба зеркала внутренние. Зеркала укрепляются на корпусе с помощью сильфонов. Юстировка зеркал осуществляется винтами.

Как и в металлостеклянном приборе, рубашка охлаждения и балластный объем расположены коаксиально с разрядным капилляром. Балластный объем сообщается с разрядным каналом с помощью двух патрубков, проходящих через рубашку водяного охлаждения. Эти же патрубки используются в качестве анодного вывода при двухплечевой схеме питания. Катодные выводы установлены симметрично на концевых участках разрядного капилляра. Во избежание электрических пробоев по поверхности оболочки между катодными выводами и корпусом балластного объема сформированы кольцевые изоляторы из эпоксидного компаунда.

Волноводные СО₂-лазеры изготавливаются преимущественно в металлокерамическом исполнении (рис. П.2.4).

Одно из зеркал резонатора заменено дифракционной решеткой (1), обеспечивающей возможность плавной перестройки длины волны излучения в пределах контура усиления. Перемещение дифракционной решетки обеспечивается с помощью пакетов из пьезоэлектрической керамики (4). Для этой цели могут использоваться пъезоэлектрические пакеты промышленного выпуска ПП-4, выполненные в виде колец с внутренним диаметром 18 мм, внешним – 30 мм и толщиной 5,4 мм.

Из-за большого давления газовой смеси и малого диаметра разрядного канала напряжение зажигания разряда может оказаться недопустимо большим. В этом случае накачка может осуществляться поперечным ВЧ разрядом. Для установки электродов часть материала керамической оболочки сошлифовывают до образования плоских взаимно параллельных полосок заданной ширины. На этих полосках устанавливают электроды прямоугольной формы с полостями для охлаждающей жидкости.

Для юстировки резонатора в корпусе металлических втулок, на которых крепятся зеркало и дифракционная решетка, сделаны проточки. Юстировка производится специальным приспособлением, обеспечивающим изгиб втулок и соответствующие угловые перемещения зеркал относительно осевой линии разрядного канала. Если узел массивен (например, в случае применения дифракционной решетки), юстировка может осуществляться специальными винтами.

Герметизация разрядного канала в области дифракционной решетки обеспечивается применением диафрагмы.

 

ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫЙ ЛАЗЕР

Гелий-неоновые лазеры относятся к категории маломощных излучателей. В зависимости от режима работы, конструкции и габаритов величина мощности составляет от десятых долей до десятков милливатт при КПД в пределах 0,001 - 0,1%. Излучение этих лазеров по сравнению с лазерами других типов отличается наиболее высокой монохроматичностью, стабильностью частотных и пространственных характеристик. Поэтому, несмотря на небольшую мощность, гелий-неоновые лазеры нашли широкое применение в самых различных областях науки и техники: в системах связи, интерферометрии, метрологии, спектроскопии, медицине и т.д. Накачка активной среды лазера осуществляется с помощью тлеющего газового разряда.

Упрощенная схема нижних энергетических уровней атомов гелия и неона представлена на рис. 3.1. Стрелками обозначены процессы заселения и расселения энергетических уровней, играющие основную роль в механизме создания инверсии населенностей.

Верхними лазерными уровнями атомов неона являются состояния 2s и 3s, нижними - 2p и 3p. Каждому из s-состояний атомов неона соответствуют по 4 близко расположенных друг к другу энергетических подуровня. Состояния 2р и 3р содержат по 10 подуровней. Наибольшие инверсии населенностей и, соответственно, мощности лазерного излучения достигаются на переходах a,b,c между уровнями 3s₂-3p₄, 3s₂-2p₄ и 2s₂-2p₄. Длины волн излучения при этом составляют: 3,39 мкм (a), 0,63 мкм (b) и 1,15 мкм (c).

В механизме создания инверсии населенностей между энергетическими уровнями указанных переходов определяющую роль играет гелий. Два нижних состояния 2³S₁ и 2¹S₀, на которые гелий может переходить в результате неупругих столкновений с быстрыми электронами (стрелки e на рис. 3.1), по величине энергии практически совпадают с верхними лазерными уровнями 2s₂ и 3s₂ атомов неона. В результате при соударениях возбужденных атомов гелия с атомами неона в основном состоянии происходит эффективная передача энергии от гелия неону (стрелки С) по схеме:

He* + Ne = Ne* + He,

обеспечивающая селективное заселение верхних лазерных уровней.

Верхние уровни 2s и 3s расселяются в результате излучательных переходов (a, b, c) в состояния 2р и 3р. Из этих состояний атомы неона излучательно переходят в состояние 1s (стрелки d, f). Наличие последнего является фактором, существенно ограничивающим величину достижимого коэффициента усиления активной среды и, соответственно, генерируемой мощности.

Из-за относительно большой населенности состояния 1s, обусловленной низкой скоростью его расселения (она определяется скоростью диффузии атомов неона, поскольку в основное состояние они переходят в

основном при столкновениях со стенками разрядной трубки - стрелка D), существенную роль в заселении нижних уровней 2р и 3р играет процесс их ступенчатого возбуждения через состояние 1s. Скорость ступенчатого заселения пропорциональна квадрату тока. В результате при некотором его значении она превысит скорость заселения верхних уровней, возрастающую пропорционально току, и инверсия наcеленностей, соответственно коэффициент усиления и мощность лазерного излучения, достигнув максимальных значений, начнут уменьшаться.

Наиболее широкое практическое применение получили He-Ne лазеры, работающие на длине волны 0,63 мкм (красно-оранжевый диапазон видимого спектра). Эти лазеры наиболее полно исследованы и технологически отработаны. Все нижеприведенные сведения относятся к приборам этого типа. Следует отметить, что для получения генерации на линии 0,63 мкм необходимо подавить генерацию на линии 3,39 мкм. Оба перехода имеют общий верхний уровень, но коэффициент усиления на переходе a почти на два порядка больше, чем на переходе b. Для подавления излучения 3,39 мкм применяют интерференционные зеркала, обладающие избирательной отражающей способностью.

 

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: