называют коэффициентом активной среды. Интенсивность света будет

усиливается по мере прохождения через среду с К>0. В противном случае при

К<0 будет иметь место ослабление интенсивности изучения. Знак К

определяется знаком выражения (N2*g1-N1*g2), называемого инверсией среды.

Усиление среды положительно только лишь при (N2*g1-N1*g2)>0. В среде с

термическим равновесием, где N1 и N2 подчиняются распределению Больцмана и

где N2 всегда меньше N1, усиление света невозможно. Таким образом,

усиление света может иметь место лишь при отсутствии термодинамического

равновесия между уровнями 2 и 2, т.е. в неравновесной среде. Среду с N2*g1-

N1*g2>0 называют средой с инверсной населённостью. Наилучшие условия

резонансного излучения получаются при больших скоростях заселения и

временах жизни верхнего уровня активных частиц и малых значениях этих

величин для нижнего уровня.

3. Получение инверсной заселённости, состав активной среды, температурный

режим, регенератор

В лазере на основе СО2 используется четырёхуровневая система получения

инверсной населённости между колебательными уровнями молекул. Молекула СО2

состоит из атома углерода и двух симметрично расположенных атомов

кислорода, т.е. имеет линейную структуру О-С-О. Как видно из схемы на рис.

7 атомы кислорода могут совершать симметричные (мода (1ОО) и несимметричные

(асимметричные) (мода (3ОО), а также поперечные этому направлению так

называемые деформационные колебания (мода (2LOO) - из-за наличия двух

взаимно перпендикулярных направлений этот тип колебаний является дважды

вырожденным. Употребляемые для описания состояния колебательно-возбуждённой

молекулы квантовые числа (1, (2L и (3 характеризуют число квантов,

соответствующих колебанию данного типа, L указывает поляризацию

деформированного колебания. Лазерный квант излучается при переходе из

состояния 001 в 100 (цифры обозначают колебательные квантовые числа в модах

(1, (2L и (3 соответственно). Возможен также переход 001(020 с длиной волны

(=9.4 мкм, но он обычно гораздо слабее. Для получения оптимальных условий

в рабочую смесь СО2-лазера помимо углекислого газа добавляют азот и гелий.

Время жизни верхнего лазерного уровня СО2 относительно спонтанных

переходов составляет (0.2 с (А21(5.1 с-1). Поэтому более интенсивно

верхние и нижние лазерные уровни расселяются (релаксируют) в результате

безизлучательных переходов при столкновениях возбуждённой молекулы с

невозбуждёнными компонентами лазерной среды по схеме на рис. 3. Однако

высокая эффективность получения инверсной заселённости в газоразрядных СО2-

лазерах обусловлена рядом причин. В электрическом разряде с высокой

эффективностью образуются колебательно-возбуждённые молекулы N2,

составляющие до 50% их общего числа. Поскольку молекула N2 состоит из двух

одинаковых ядер, её дипольное излучение запрещено и она может

дезактивироваться только при столкновении со стенкой или с другими

молекулами. При наличии СО2 колебательная энергия N2 может быть легко

передана молекулам СО2 поскольку существует близкий резонанс между

колебаниями N2 и модой (3 колебаний СО2. Уровень 001 только на 18 см-1

лежит выше первого колебательного уровня азота и необходимый недостаток

энергии молекулы СО2 могут получать от кинетической энергии азота. В

результате энергия, затрачиваемая на возбуждение верхнего лазерного уровня

и характеризуемая КПД разряда (к, для смесей СО2-N2-He может превышать 80%.

При наличии азота в смеси время релаксации, запасённой верхним уровнем

энергии (э увеличивается и становится равным [pic]. При средней плотности

выделяемой в положительном столбе разряда мощности <jE> заселённость

верхнего лазерного уровня в отсутствии генерации будет [pic]. Создание

инверсии требует малой населённости нижнего лазерного уровня. В условиях

отсутствия генерации нижние уровни СО2 находятся в тепловом равновесии с

основным, их относительная заселённость ([pic]. Для поддержания

стационарной генерации нижние уровни СО2 необходимо расселять. Этот процесс

обеспечивается добавлением в лазерную смесь расселяющих компонент, из

которых наиболее эффективен гелий. Также помимо эффективного расселения

уровня 100 гелий обеспечивает хороший теплоотвод от рабочей среды за счёт

теплопроводности и оказывает стабилизирующее действие на заряд, поэтому в

подавляющем большинстве существующих технологических лазеров предпочтение

отдаётся ему. Таким образом, эффективная работа СО2-ляазера требует

трёхкомпонентной лазерной смеси. Определение состава рабочей среды лазера

является сложной оптимизационной задачей, решение которой необходимо

проводить в каждом конкретном случае. Для диффузионного СО2-лазера часто

используется смесь СО2:N2:He в соотношении 1:1:3.

Частотный спектр генерации СО2-лазера имеет достаточно сложный вид.

Причиной этого является наличие тонкой структуры колебательных уровней,

обусловленной существованием ещё одной степени свободы молекулы СО2 –

вращения. Из-за вращения молекулы каждый изображённый на рис. 7

колебательный уровень распадается на большое количество вращательных

подуровней, характеризуемых квантовым числом j и отстоящих друг от друга на

величину энергии ((вр, (001, (100, kTr. В результате интенсивного обмена

энергий между вращательной и поступательной степенями свободы

устанавливается больцмановское распределение частиц по вращательным

состояниям, описываемое уравнением [pic], где N( , N(,j – концентрации

возбужденных частиц на колебательном уровне ( и на его вращательных

подуровнях j; [pic]= 0,38 см-1 – вращательная константа. Согласно правилам

отбора в молекуле СО2 переходы между двумя различными колебательными

уровнями возможны при изменении вращательного квантового числа на 1 т.е.

(j=(1. Таким образом, линия усиления рабочей среды состоит из большого

числа линий, каждая из которых уширена за счёт эффекта Доплера на величину

[pic] и за счёт столкновений на величину [pic] и для СО2-лазера вычисляются

: [pic]

[pic], где рi – парциальные давления компонент смеси.

Коэффициент усиления активной среды СО2-лазера существенно зависит от

температуры рабочей смеси Тг. Процессы накачки лазерной смеси и генерации

неизменно сопровождается нагревом газа. Температура лазерной смеси Тг в

установившемся состоянии пропорциональна мощности энерговыделения в

разряде, т.е. Тг(jE. В отсутствие генерации заселенность верхнего лазерного

уровня также пропорциональна jE. Поэтому если время столкновительной

релаксации [pic] не зависит от температуры газа и N001(Тг, учёт возрастания

[pic] с ростом Тг лишь ослабит зависимость N001(Тг) (пунктирная линия).

Заселённость нижнего лазерного уровня находится в равновесии с основным и

описывается законом Больцмана N100([pic]. В связи с этим при достижении

некоторой критической температуры Тmax инверсная заселённость лазерной

смеси исчезает. Максимальная инверсия достигается при оптимальных

температурах смеси Торt. Для смеси с (г(1,5*10-1 Вт/(м*К), Тстенки(300К

зависимость населённости лазерных уровней от температуры показана на рис.

8. Типичные значения Тopt(400...500К, Тмах(700...800К.

Под действием электронных ударов и в результате столкновений

возбуждённых молекул в тлеющем разряде в СО2-лазерах происходит частичная

диссоциация углекислого газа СО2 ( СО + О. Отношение концентраций СО к СО2

может достигать (12%, содержание О2 – 0,8%. Из-за этого при сохраняющемся

энерговкладе возрастают потери на диссоциацию, возбуждение электронных

состояний и возбуждение колебаний СО и О2. Поэтому населённость верхнего

рабочего уровня СО2 падает и коэффициент усиления уменьшается. Поскольку

ресурс работы СО2-лазера, определенный требованиями экономичности

установки, оценивается несколькими сотнями часов, а существенный рост доли

СО и О2 определяется минутами, необходимо включение в контур регенератора,

в котором частично восстанавливается рабочая смесь. В диффузионном СО2-

лазере целесообразно применение цеолита (SiO4+AlO4) в количестве 20мг,

насыщенного парами H2O.

4. Резонатор

Резонатор является оптической системой, позволяющей сформировать

стоячую электромагнитную волну и получить высокую интенсивность излучения,

необходимую для эффективного протекания процессов вынужденного излучения

возбуждённых частиц рабочего тела лазера, а следовательно, когерентного

усиления генерируемой волны. Оптические резонаторы в квантовой электронике

не только увеличивают время жизни кванта в системе и вероятность

вынужденных переходов, но и так же, как резонансные контуры и волноводы

определяют спектральные характеристики излучения.

В длинноволновом диапазоне классической электроники длина волны

излучения существенно больше размеров контура и его спектральные

характеристики определяются сосредоточенными параметрами электрической

цепи. Длинные радиоволны при этом излучаются в пространство практически

изотропно. При сокращении длины волны и переход в СВЧ-диапазону для

формирования электромагнитной волны используются пустотелые объёмные

резонаторы с размерами, сравнимыми с длиной волны. При этом появляется

возможность формирования направленных (анизотропных) распределений

излучения в пространстве с помощью внешних антенн. В ИК и видимом диапазоне

длина волны излучения много меньше размеров резонатора. В этом случае

оптический резонатор определяет не только частоту, но и пространственные

характеристики излучения.

Простейшим типом резонатора является резонатор Фабри-Перо, состоящий

из двух параллельных зеркал, расположенных друг от друга на расстоянии Lp.

В технологических лазерах резонатор Фабри-Перо используется крайне редко из-

за больших дифракционных потерь. Чаще используются резонаторы с одной или

двумя сферическими отражающими поверхностями. Свойства этих резонаторов

зависят от знака и величины радиуса их кривизны R, а также от Lp и

определяются стабильностью существования в нём электромагнитной волны.

В так называемом устойчивом (стабильном) резонаторе распределение

поля воспроизводится идентично при многократных проходах излучения между

зеркалами и имеет стационарный характер. В результате попеременного

отражения электромагнитных волн от зеркал волна формируется таким образом,

что в приближении геометрической оптики не выходит за пределы зеркал в

поперечном направлении и выводится из устойчивого резонатора только

благодаря частичному пропусканию самих отражающих элементов. В случае

отсутствия потерь, излучение могло бы существовать в устойчивом резонаторе

бесконечно долго. В неустойчивом (нестабильном) резонаторе световые пучки

(или описывающие их электромагнитные волны) в результате последовательных

отражений от зеркал перемещаются в поперечном оси резонатора направлении к

периферии и покидают его.

Свойства резонаторов и характеристики создаваемых ими пучков можно

описывать и в волновом, и в геометрическом приближении. В качестве критерия

применимости этих приближений удобно использовать так называемое число

Френеля [pic], где a, L – характерные размеры задачи поперёк пучка и вдоль

направления его распространения. Условие NF>>1 соответствует применимости

геометрического приближения. При NF(1 необходимо учитывать также волновые

свойства электромагнитного излучения.

В геометрическом приближении условие устойчивости резонатора имеет

вид:[pic]. Расстояние между зеркалами Lp в этом выражении всегда

положительно, а R1 и R2 положительны только для вогнутых т.е. фокусирующих

зеркал и отрицательны для зеркал с выпуклой поверхностью. Для устойчивых

резонаторов существует стационарное распределение интенсивности

электромагнитного поля. В общем случае интенсивность излучения в устойчивых

резонаторах распределена не равномерно по всему объёму резонатора, а

сосредоточена внутри области, называемой каустикой (рис.9). Радиусы (1, (2,

этой области на зеркалах а также её минимальный радиус (0 в месте перетяжки

определяются длиной волны и параметрами резонатора (R1, R2, Lp). Для

Страницы: 1, 2, 3