Главная страница  Принципиальная схема лазера 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [ 12 ] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35]

комощных молекулярных и эксимерных лазеров.

Основными способами поддержания несамостоятельного разряда являются фотоионизация, ионизация пучком электронов и ионизация вспомогательными импульсными разрядами (рис. 33). *

Использование для ионизации газа оптического излучения основано на явлении фотоэффекта, когда энергия фотонов, взаимодействующих с частицами, оказывается достаточной для отрыва электронов с верхних уровней атомов или молекул рабочей среды. Естественно, что наиболее эффективны в этом случае высокоэнергетические кванты излучения ультрафиолетового и рентгеновского диапазонов. В схеме, представленной на рис. 33, а, в качестве источника ультрафиолетового излучения используется искровой разрядник 4. Фотоны (Av), попадая в активную среду 1, вызывают ее ионизацию, т. е. образование положительных и отрицательных

2 t

TTTT


Рис. 33. Схемы организации несамостоятельных разрядов: а -поддерживаемого фотононнзацией от искрового разрядника; б -поддерживаемого пучком быстрых электронов; в -с периодической

ионизацией

частиц, которые обеспечивают электрический ток в газовом,! разряде между катодом 3 и анодом 2. Такой способ ионизации неэффективен и практически не используется в технологических СОг-лазерах.

Наибольшее распространение получили схемы, использующие для ионизации пучок быстрых электронов (рис. 33, б). Источником электронов является катод электронной пушки 5. Электроны, эмиттированные катодом, ускоряются в элект-pH4ei6K0M поле высокой напряженности. Давление в камере электронной пушки не должно превышать 10- Па. Между камерой электронной пушки и находящейся под давлением активной-средой лазера / устанавливают тонкую фольгу (на-

пример, титановую) толщиной в несколько десятков микрон, через которую могут пролетать электроны с высокой энергией, обеспечивающие ионизацию газовой смеси. Созданные этим пучком вторичные, медленные электроны дрейфуют между катодом 3 и анодом 2 разрядного промежутка и возбуж-тают активные частицы лазерной смеси. Схема несамостоятельного разряда с ионизацией вспомогательным разрядом показана на рис. 33, в.

Ионизация газа в такой схеме происходит при подаче на члектроды газоразрядной камеры {3, 2) коротких вспомога-ельных импульсов высокого напряжения на фоне дежурного юниженного напряжения. Если напряжение вспомогатель-1ых испульсов достаточно для создания условий самостоя-ельного разряда, то после его окончания в газовой смеси / ще остаются носители заряда, обеспечивающие поддержание несамостоятельного разряда в распадающейся плазме до начала следуюи1его импульса.

Схемы накачки с использованием несамостоятельного разряда применяются в TEA СОг-лазерах и в эксимерных лазе-!)ах.

3.2.4. Накачка газовых лазеров самостоятельным электрическим разрядом

Наиболее распространена накачка газовых лазеров самостоятельным электрическим разрядом, поскольку при этом не требуются дополнительные системы ионизации газовой среды. Область самостоятельного разряда включает весь участок вольт-амперной характеристики, находящийся правее точки D (рис. 32). Возбуждение электроразрядных лазеров может происходить как при режимах, характерных для тлеющего разряда, так и в дуговом газовом разряде. Характеристики этих разрядов приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Разряд

Рабочее напряжение, В

n.lOTHOCTb

тока, Л/СМ2

Температура ионов Т, К

Температура

электронов Т, К

Концентрация электронов

Относительная ионизация, %

Тлеющий Дуговой

Свыше ICS

10...100

10--...0,1 102...10»

3-102

. 10»

Свыше 10* 10*

10б...1№ 10«»

10-*... Ю-» Свыше 1



Тлеющий разряд применяется для накачки непрерывные ттомных и молекулярных лазеров. В тлеющем разряде Не-Ne-лазера возбуждение атомов Не и Ne происходит за счет прямого столкновения с электронами разряда. Атомы Не при столкновениях с атомами Ne могут передавать энергию возбуждения с уровней ег на уровни Е5« и е-, атома Ne (см. рис. 18), что приводит к их селективному заселению. Отличительной чертой газовых лазеров на атомных переходах является низкий КПД процесса накачки в тлеющем разряде. Это принципиально и связано с тем, что верхний рабочий уровень атомных переходов лежит высоко над основным уровнем. Поскольку в этих лазерах инверсия населенности создается при электронном возбуждении из основного состояния, только очень немногие (высокоэнергетические) электроны принимают участие в процессе возбуждения. Например, разность между возбужденным и основным состояниями атомов в He-Ne-лазере составляет Ае~3,2-10-* Дж, в то время как. электронная температура Тр плазмы тлеющего разряда в смеси Не-Ne может достигать 10 К- Если считать распределение электронов по скоростям в плазме газового разряда максвелловским, то относительная доля электронов, имеющих энергию больщую, чем Ае, не превыщает ехр(-Ае/Го) < <0,05. Это значит, что КПД системы накачки тн в этом случае не превышает 5 %. Увеличить эффективность накачки He-Ne-лазера за счет плотности разрядного тока также не удается. Мощность излучения лазера на смеси Не-Ne с увеличением разрядного тока, сначала растет, а при больпшх величинах тока начинает падать (рис. 34). Повышение мшц* ности объясняется тем, что с увеличением тока растет плот-, ность электронов в плазме и, следовательно, увеличивается число возбужденных атомов Ne. При больших плотностях тока начинает играть роль возбуждение нижних лазерн1>1Х уровней атомов Ne за счет электронного возбуждения, причем скорость возбуждения этих уровней пропорциональна квадрату концентрации электронов, в то время, как зависимость скорости возбуждения верхних уровней от концентрации электронов линейная. В результате, начиная с некото-ых значений разрядного тока, инверсная населенность атомов Ne снижается и мощность излучения лазера также уменьшается.

Намного более эффективным оказывается использование тлеющего разряда для накачки молекулярных лазеров, по-

скольку колебательные энергетические уровни расположены близко к основному состоянию. Например, в СОг-лазере разность энергии между верхним лазерным уровнем и основным состоянием молекулы углекислого газа составляет всего

0 П.пЛ

Рис. 34. Зависимость выходной мощности He-Ne-лазера от тока разряда


О 0,1 0,г 0 3 Е1р1о\ В/1м Па)

Рис. 35. Зависимость эффективности передачи энергии, передаваемой электронами в различные возбужденные состояния молекул СОг и Nj от отношения Ejp

Ле=«0,46-10-19 Дж, т. е. гораздо меньше, чем в гелий-неоно-йом-лазере. Поэтому КПД накачки активной среды СОг - Дазера тлеющим разрядом очень высок. На рис. 35 приве-



дена зависимость эффективности передачи энергий электронами тлеющего разряда в различные возбужденные состояния молекул СО2 и N2 (КПД накачки) от отнощения напряженности электрического поля к давлению лазерной смеси. Существует оптимальное соотношение между параметрами электрического разряда и газовой смеси, при котором КПД накачки может составлять более 90 %.•

Одной из наиболее серьезных проблем, возникающих при использовании самостоятельного тлеющего разряда для накачки мощных газовых лазеров, является его худшая, по сравнению с несамостоятельным разрядом, устойчивость при больших объемах активной среды. Это связано с трудностями обеспечения равномерного протекания тока через большие поверхности анода и катода. Для поддержания устойчивости разряда приходится либо снижать давление активной среды.


Рис. 36. Создание однородного самостоятельного разряда в больших объемах при низких {а) и высоких (б) давлениях

рабочей смеси

ЧТО ухудшает удельные энергетические характеристики ла зера, либо переходить к использованию «ножевых» и «шты ревых» катодных элементов (рис. 36). Такой подход позво ляет работать с большими объемами активных сред при вы соких давлениях (свыше W Па). При этом каждый катод ный элемент подсоединяется к общему источнику через пи дивидуальное балластное сопротивление Ru необходимое не только для стабилизации разряда, но и для обеспечения под жигания всех отдельных разрядов и поддержания в них при близительно равных токов.

При наличии потока газа и больших размерах разряд ной камеры секционирование катода необходимо и при низ ких давлениях активной среды.

в ионных лазерах Вйсокоионизрованную плазму полу-!ают в дуговом разряде с высокой плотностью тока. Так, в мойном аргоновом лазере необходимый уровень ионизации достигается применением сильноточного дугового разряда плотностью до 2000 А/см и разрядного капилляра малого диаметра. Оптимальные давления газовой среды лежат в пределах 13-130 Па. Для увеличения концентрации электронов в центре капилляра создается продольное магнитное поле, которое сжимает разряд и уменьшает взаимодействие электронов и ионов со стенками капилляра.

Для аргонового лазера существует простая зависимость объемной плотности выходной мощности WIV от плотности разрядного тока у: lF/y= IQ-f. Энергетическая эффективность накачки с помощью дугового разряда сравнительно III велика (из-за рассеяния подводимой энергии в виде тепла) при высоком уровне температур в плазме дугового пязряда (температура ионов в разряде 3000 К). Для аргонового лазера КПД накачки не превышает 10%. Однако использование для электронного возбуждения мощного дугового разряда позволяет снижать с ограниченных объемов 37 электрическая схема ем-ятчтивных сред высокие мощ- костного высокочастотного газо-ности лазерного излучения в вого разряда Непрерывном режиме.

Весьма перспективным способом возбуждения активной среды газовых СОг-лазеров является использование тлею-Hiero высокочастотного (ВЧ) разряда либо самого по себе, шбо в комбинации с тлеющим разрядом постоянного тока. В электрической схеме ВЧ-разряда последовательно с нели- иным «омическим» сопротивлением плазмы, обладающей оицательным дифференциальным сопротивлением (см. ВАХ рис. 32), включается емкостное сопротивление 1/соС, где - эффективная емкость конденсатора, образованного закром с диэлектриком между плазмой и внешней металличе-"Ой прокладкой (рис. 37). Такой разряд отличается более 1С0К0Й устойчивостью по сравнению с разрядами постоян-





[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [ 12 ] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35]

0.0147