|
|
 |
|
Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии
|
Общий каталог эффектов
 | Электроразрядный лазер |
 |
Электроразрядный газовый лазер
Анимация
Описание
Электроразрядный газовый лазер – устройство, преобразующее энергию тлеющего разряда или высокочастотного электрического тока в энергию оптического лазерного излучения и тепло.Одним из наиболее известных лазеров этого типа является CO2-лазер – мощный газовый лазер инфракрасного диапазона. Разработки его начались в 70-х гг. XX века.
В этом лазере используется специальная смесь газов СО2, N2 и Не. Генерация происходит на переходе между двумя колебательными уровнями молекулы СО2, а азот и гелий значительно повышают КПД лазера.
Нижние колебательные уровни основного электронного состояния молекул N2 и С02.
Рис.1
На рис.1 приведены схемы энергетических уровней основных электронных состояний молекул СО2 и N2. Поскольку N2 — двухатомная молекула, она имеет лишь одну колебательную моду; на рисунке показаны два нижних уровня. Структура энергетических уровней молекулы С02 более сложная, поскольку эта молекула является трехатомной. Здесь мы имеем три невырожденные колебательные моды (рис.2), а именно: 1) симметричную валентную моду, 2) деформационную моду и 3) асимметричную валентную моду. Поэтому колебания молекулы описываются тремя квантовыми числами n1, n2 и n3, которые определяют число квантов в каждой колебательной моде. Таким образом, соответствующий уровень обозначается этими тремя квантовыми числами, записываемыми в последовательности n1, n2, n3. Например, уровень 01'0 соответствует колебанию, деформационная мода (мода 2) которого имеет один колебательный квант. Поскольку из трех типов колебаний моде 2 соответствует наименьшая постоянная упругости (колебания являются поперечными), рассматриваемый уровень имеет наименьшую энергию. Генерация происходит на переходе между уровнями 00°1 и 10°0 (λ ≈ 10,6 мкм), хотя можно получить генерацию также и на переходе между уровнями 00° 1 и 02°0 (λ ≈ 9,6 мкм).
Три фундаментальные моды колебаний молекулы С02: ν1 — симметричная валентная мода, ν2 — деформационная мода, ν3 — асимметричная валентная мода.
Рис.2
Накачка на верхний лазерный уровень 00° 1 происходит очень эффективно благодаря следующим двум процессам.
а) Непосредственные столкновения с электронами.
б) Резонансная передача энергии от молекулы N2.
Принцип работы лазера следующий (рис.1). Вещество (углекислый газ) помещается в резонатор, созданный в простейшем случае двумя зеркалами: непрозрачным для выходящего излучения и полупрозрачным. Возбуждение (инверсия) среды осуществляется с помощью электрического разряда.
Схема электроразрядного газового лазера. 1 – разрядная трубка, 2 – кольцевые электроды, 3 – каналы медленного обновления смеси, 4 – разрядная плазма, 5 – внешняя трубка, 6 – охлаждающая (проточная) вода, 7 – глухое (непрозрачное) зеркало, 8 – выходное полупрозрачное зеркало, 9 – выходящее излучение
Рис.1
Целесообразность использования тлеющего разряда для накачки (инверсии) CO2-лазера объясняется тем, что в молекулярных газах подавляющая часть выделяющейся энергии тока затрачивается на возбуждение молекулярных колебаний. Электрическое поле, поддерживающее плазму, передаёт энергию электронам, а те возбуждают колебания. В результате происходит заселение верхнего уровня молекул, приводящее к инверсии и последующей лазерной генерации.
Следует отметить, что в CO2-лазере выделяется также достаточно много энергии в виде тепла, что объясняется релаксацией колебательной энергии молекул в поступательные степени свободы.
Ключевые слова
Области техники и экономики
Используемые естественнонаучные эффекты
Разделы естественных наук используемых естественнонаучных эффектов
Применение эффекта
СО2-лазер является одним из самых мощных лазеров (от газодинамического С02-лазера получены выходные мощности порядка 80 кВт) и одним из наиболее эффективных (дифференциальный КПД 15— 20 %). Лишь полупроводниковые и СО-лазеры имеют более высокие КПД.
С точки зрения конструкции СО2-лазеры можно подразделить на семь типов:
1) Лазеры с медленной продольной прокачкой. С02-лазеры с медленной продольной прокачкой относительно низкой мощности (50—100 Вт) широко используются в лазерной хирургии, для подгонки резисторов, для резки керамических пластин в электронной промышленности и сварки тонких металлических листов (толщиной меньше 1 мм).
2) лазеры с быстрой продольной прокачкой. В настоящее время С02-лазеры с быстрой продольной прокачкой высокой мощности (1—3 кВт) нашли широкое применение во многих операциях по обработке материалов и, в частности, для лазерной резки металлов (с толщиной до нескольких миллиметров).
3) отпаянные лазеры. Выходная мощность отпаянных лазеров с единицы длины составляет около 60 Вт/м, т. е. значение которое дают и лазеры с продольной прокачкой газа. Маломощные (порядка 1 Вт) отпаянные лазеры с коротким резонатором и поэтому работающие в одномодовом режиме нередко применяются в качестве гетеродинов в экспериментах по оптическому гетеродинированию. Отпаянные С02-лазеры несколько более высокой мощности (порядка 10 Вт) привлекают внимание с точки зрения их использования в лазерной микрохирургии и для механической обработки микрорезанием.
4) волноводные лазеры. Применяются в лазерной микрохирургии.
5) лазеры с поперечной прокачкой. Лазеры с быстрой продольной прокачкой имеют значительно лучшее качество пучка, поскольку у них ток разряда имеет цилиндрическую симметрию, что делает эти лазеры особенно привлекательными для механической обработки резанием.
6) лазеры с поперечным возбуждением при атмосферном давлении (ТЕА-лазеры). Помимо широкого использования TEA СО2-лазеров в научных приложениях они находят многочисленные применения в промышленности для обработки материалов в тех случаях, когда импульсный характер пучка дает некоторое преимущество (например, импульсная лазерная маркировка).
7) газодинамические лазеры. Согласно опубликованным данным, от газодинамических С02-лазеров можно получить выходную мощность до 80 кВт, причем химический КПД составляет 1 %. Непрерывный режим работы такого лазера был получен лишь в течение короткого времени (несколько секунд), что связано с сильным нагревом отдельных элементов (например, зеркал) лазерным пучком. Вследствие трудностей, возникающих при работе со сверхзвуковым истечением, промышленные применения для газодинамических лазеров пока не найдены.
Следует указать на то, что, хотя указанные лазеры и отличаются друг от друга по многим своим рабочим параметрам (например, выходной мощности), все они имеют общую важную особенность, а именно высокий дифференциальный КПД (15—25%). Столь высокий КПД является следствием большого квантового выхода (~40%) и очень высокоэффективного процесса накачки, который имеет место в СО2-лазере при оптимальной электронной температуре разряда.
Реализации эффекта
Впервые генерация в С02-лазере была получена в лазере именно такого типа (Ч. Пател, 1964 г.). Газовая смесь медленно прокачивается вдоль лазерной трубки (рис.1) просто для того, чтобы удалить продукты диссоциации, в частности СО, которые в противном случае загрязняют лазерную среду. Отвод тепла обеспечивается теплопередачей в радиальном направлении к стенкам трубки (обычно стеклянным), которые охлаждаются извне подходящим теплоносителем (как правило, водой). Часто применяется конструкция с внутренним зеркалом, и, по крайней мере в конфигурации рис.1, один из металлических держателей, который включает в себя зеркало резонатора, должен находиться при высоком напряжении. Одно из главных ограничений этого лазера состоит в том, что независимо от диаметра трубки в нем имеется верхний предел выходной мощности с единицы длины разряда (50—60 Вт/м). Это можно объяснить следующим образом. При данной плотности тока J число молекул, накачиваемых на верхний лазерный уровень в единицу времени, можно записать в виде
,
где
— соответствующее сечение возбуждения электронным ударом, в которое входит как прямое возбуждение, так и возбуждение посредством передачи энергии,
Ng — полная населенность основного состояния С0
2, а
е — заряд электрона. Для скоростей накачки, намного превышающих пороговое значение, выходная мощность
Р пропорциональна величине
(dN2/dt)p. Поэтому можно записать, что
, (1)
здесь
Va — объем активной среды,
D — ее диаметр,
l — ее длина, а
р— давление газа. При оптимальных рабочих условиях мы имеем теперь следующее: 1) для поддержания оптимальной электронной температуры разряда должно быть постоянным произведение
pD (~22,5 (мм рт. ст.)*см; например, 15 мм рт. ст. при
D=1,5 см); 2) из-за ограничений на тепловыделение, связанных с необходимостью отвода тепла к стенкам трубки, существует оптимальное значение плотности тока, причем оно обратно пропорционально диаметру трубки
D. То, что оптимальное значение
J должно существовать, можно понять, если заметить, что избыточная плотность тока приводит к избыточному нагреву смеси (даже если КПД = 20%, около 80% электрической мощности рассеивается в разряде в виде тепла), вследствие чего мы имеем тепловое заселение нижних лазерных уровней. Обратно пропорциональную же зависимость оптимального значения J от D можно объяснить, если принять во внимание то, что чем больше диаметр трубки, тем более затруднена передача выделяющегося тепла к стенкам. Из этих рассуждений мы заключаем, что при оптимальных условиях J и р обратно пропорциональны величине D и, следовательно, в соответствии с выражением (1) оптимальное значение Р определяется лишь длиной трубки.
Одним из возможных и практически очень интересных решений, позволяющим преодолеть ограничения на выходную мощность лазеров с медленной продольной прокачкой, является прокачка газовой смеси вдоль трубки с очень высокой сверхзвуковой скоростью (около 50 м/с). В этом случае теплота уносится просто путем удаления разогретой смеси, которая, прежде чем вернуться в трубку, охлаждается вне ее пределов в соответствующем теплообменнике. При этом плотность тока не имеет оптимального значения, мощность фактически возрастает линейно с увеличением J, и можно достичь значительно более высокой выходной мощности на единицу длины разряда (~1 кВт/м и даже больше). Помимо охлаждения смесь за пределами трубки пропускается через катализатор, чтобы газ СО прореагировал с 02 (некоторое количество 02 уже имеется в смеси благодаря диссоциации С02 в области разряда). Это обеспечивает необходимую регенерацию молекул С02. В этом режиме необходимая подпитка смеси крайне мала и можно добиться работы в полностью запаянном режиме.
Литература
1. Звелто О. Принципы лазеров. - М.: Мир. 1990.
2. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. - М.: Наука. 2004.
