Устройство и работа газостатического лазера

Рассмотрим упрощённую схему газостатического высоковольтного лазера

Рис.

Параметры излучателей газостатических молекулярных лазеров.

Различают следующие типы излучателей:

- излучатели с диффузионным охлаждением (т.е. за счёт теплопроводности и лучеиспускания) с медленной прокачкой газа активной среды или отпаянные;

- излучатели с конвективным охлаждением (т.е. с быстрой прокачкой активной газовой среды).

1)Излучатели однолучевые с (медленной прокачкой газа) диффузионным охлаждением.

Конструкция однолучевого излучателя с диффузионным охлаждением

а)

б)

Рис.

Зеркала З₁ и З₂ оптического резонатора могут быть внутренними (как показано на рис. ) или внешними.

В первом случае (рис. а) одно из зеркал выполняется металлическим и находится под высоким напряжением.( З₁).

Во втором случае (рис. б) окна трубки по торцам расположены под углом Бюстера θ_β . При угле θ_β лазерное излучение не испытывает потерь на отражение от поверхности окна и излучение является поляризованным.

Прокачка газовой смеси необходима для удаления продуктов диссоциации, в частности молекул СО, которые ухудшают работу лазера. 2СО₂→2СО+О₂

Тепло, выделяемое при электрическом разряде в активной среде, отводиться за счёт теплопроводности и лучеиспускания к стенкам газоразрядной трубки, которая охлаждается водой.

Давление газа составляет порядка 15 мм.рт.ст, но не более 20÷30 мм.рт.ст. Выходная мощность лазеров с медленной прокачкой составляет 50-500Вт. Т.е. для таких лазеров существует предельная выходная мощность излучения, определяемая условиями охлаждения, т.к. значительная мощность, подводимая к газоразрядному промежутку (≈80%), выделяется в виде тепла и отводится за счёт теплопередачи и лучеиспускания. Средняя напряжённость электрического поля в канале разряда составляет 0,1-0,5 .

Отпаянные лазеры.

Конструкция отпаянного лазера, такая же как лазера с медленной продольной прокачкой, только отсутствует прокачка газа, а трубка заполнена рабочей газовой смесью и запаяна.

Однако, для нормальной работы лазера необходимо обеспечить регенерацию молекул CO₂ из молекул СО. Молекулы СО образуются вследствие диссоциации молекул СО₂ под действием электрического разряда. 2СО₂→2СО+О₂.

Они ухудшают работу лазера, вплоть до полного прекращения генерации излучения, через несколько минут после включения лазера.

Для восстановления молекул СО₂ применяются два способа:

- Добавление в газовую смесь небольшого количества паров воды (≈1%)

- Применение горячего (300°С) никелевого катода, выполняющего роль катализатора восстановительной реакции.

Отпаянные лазеры имеют такие же параметры, как лазеры с продольной прокачкой.

Как выше отмечено, для лазеров с диффузионным охлаждением существует предельное значение мощности излучения. Увеличение мощности ограничено допустимым перегревом рабочей смеси. , где Т_о – температура смеси на оптической оси, Т_ст – температура стенок газоразрядной трубки. Газоразрядная трубка обычно имеет радиус R_Т не превышающий нескольких см. В этом случае предельную мощность излучения лазера можно оценить с помощью соотношения, полученного в результате решения уравнения теплового баланса

, (2.16)

где - длина активной среды, - теплопроводность газовой смеси, - к.п.д. накачки.

Из приведённой формулы видно, что удельная мощность лазера, снимаемая с единицы длины разрядной трубки не зависит от давления смеси и радиуса трубки. СО₂ – лазеры имеют параметры: и . Подставляя в формулу (2.16) характерное для Не значение теплопроводности и обычное для СО₂ – лазера можно получить следующие значения предельной удельной мощности, т.е. мощности снимаемой с единицы длины разрядной трубки . Если в смеси отсутствует Не, то теплопроводность уменьшается ≈ в 6 раз. В результате уменьшается до уровня 10÷20

Существует также предельное значение длины газоразрядной трубки. Это значение обусловлено явлением расхождения лазерного пучка с увеличением длины до величины равной радиусу трубки и может быть оценено по формуле:

(2.17)

Для типичных значений получаем . Однако, из-за потерь при отражении излучения от стенок трубок и их торцов длина не превышает 20÷40 м. Таким образом мощность однолучевых СО₂ – лазеров не превышает 1кВт. При этом однолучевые излучатели с диффузионным охлаждением и с большой длиной активной среды изготавливают в виде ряда коротких трубок. Излучение проходит последовательно через эти трубки с помощью системы поворотных зеркал. При этом все трубки объединяются в общий резонатор. Схематично излучатель выглядит так:

Однолучевой излучатель свёрнутого типа

Рис.

В связи с указанными недостатками лазеров с диффузионным охлаждением в настоящее время активно разрабатываются и применяются методы улучшения охлаждения активной среды и повышения предельной мощности таких лазеров. Перспективным направлением является применение излучателей щелевой конструкции, которая схематично имеет вид:

Рис.

Это два коаксиальных цилиндра, активная среда и электрический тлеющий разряд располагаются в зазоре (щели) между цилиндрами, l_щ и h – длина и ширина щели.

Предельная мощность такого лазера оценивается по формуле:

. (2.18)

Например, при т.е. на порядок выше чем в предыдущем случае.

Ещё большее увеличение мощности СО₂ – лазеров с диффузионным охлаждением можно достичь применением многолучевых излучателей. Такие излучатели состоят из большого числа газоразрядных трубок с малым поперечным размером, которые помещены в общий резонатор. Малый поперечный размер трубок обеспечивает эффективный теплоотвод. Схематично такая конструкция имеет вид:

Рис.

Предельная мощность такого лазера составит:

(2.19)

где длина трубок, - коэффициент заполнения. Удельная мощность такого лазера:

(2.20)

Например, при d_Т = 1 см; Д_сб = 10 см; П_з = 0.5; N_Т = 50 шт; Получаем – Р_мл/l_Т = 2 ÷3 кВт/м