Газостатические молекулярные лазеры

Принцип действия, устройство и параметры газовых лазеров.

Типы высоковольтных газовых лазеров:

- газостатические;

- электроаэродинамические;

- электроионизационные.

К газовым лазерам относятся, также газодинамические и химические, но в них инверсия населенности создается неэлектрическим способом. Поэтому рассматривать их не будем.

Разделение газовых лазеров на указанные выше типы определяется способами накачки активной среды. В газовых лазерах в качестве активной среды применяют газ или смесь газов.

Концентрация частиц в активной среде газовых лазеров составляет и на несколько порядков ниже концентрации частиц в активной среде твердотельных излучателей . Поэтому в газовых лазерах высокие мощности можно получить при значительной длине активного элемента, достигающей нескольких метров.

Наибольшее распространение в настоящее время получили газостатические лазеры. Активная среда – смесь газов, заполняющая емкость постоянного объема (газоразрядную трубку) при заданном давлении.

Рис.

Наиболее широкое применение получили лазеры, в которых в качестве активной среды используется смесь газов: углекислый газ - CO₂, азот - N₂, гелий - He.

Возбуждение молекул активной среды и создание инверсии населенности происходит за счёт энергии электрического (тлеющего) разряда в газовой смеси.

Диаграмма энергетических уровней активной среды, т.е. молекул CO₂ и N₂ приведена на рис.. Е₃,Е₄,Е₅ – уровни возбуждения молекул CO₂, – молекул N₂, Е₅ – метастабильный уровень. Изменение энергетического состояния молекул происходит за счёт изменения колебательно-вращательного взаимного движения атомов молекулы

Заселение уровня Е₅ происходит вследствие трёх процессов:

Первый из них - возбуждение молекул CO₂ за счёт соударения с ним быстрых электронов электрического разряда, переход Е₁→ Е₅ по направлению .

За счёт этого механизма можно получить мощность вых., излучения до 10Вт и к.п.д. до 10%. Значительное увеличение этих параметров достигается наличием азота и гелия. В этом случае действует второй механизм возбуждения, т.е. создание инверсии населённости.

Второй – в газовом разряде за счёт соударения с электронами происходит интенсивное возбуждение молекул азота переход Е₁→ Е₂ по направлению, отмеченному . Уровень Е₂ азота совпадает с уровнем Е₅ CO₂. Затем происходит резонансная передача энергий возбуждения по направлению от молекул азота молекулам CO₂ и населённости на уровне Е₅ резко возрастает.

Третий механизм – дополнительное увеличение населённости на уровне Е₅ состоит в переходе на этот уровень молекулы CO₂ по направлению , ранее возбуждённой за счёт столкновений с электронами и перешедшей на более высокий энергетические уровни, не показанные на рисунке.

Время жизни на уровне Е₅ составляет τ_ср=0.4·10^-3 сек.

Гелий введён в состав смеси для уменьшения её температуры, что снижает тепловое заселение уровней и увеличивает инверсию населённости. Наличие Не приводит к увеличению теплоёмкости и теплопроводности активной среды (т.е. смеси газов).

Лазерное излучение возникает за счёт перехода и , Е₅→ Е₃ и Е₅→ Е₄ с диной волны излучения (квантов энергии) 10,6 мкм и 9,6 мкм. Наиболее интенсивнымявляется переход (Е₅→ Е₄), который почти полностью подавляет генерацию на переходе Е₅→ Е₃, т.е. излучение в основном на частоте, соответствующей λ=10,6 мкм (инф. обл. спектра)

Молекулярные газостатические лазеры имеют следующие параметры:

1) Мощность излучения достигает десятков кВт, существует опытный образец мощностью 1 МВт.

2) К.П.Д. до 30%, т.е. на порядок выше, чем у твердотельных

3) Работают как в непрерывном (чаще) так и в импульсном режимах

4) Мощность излучения получаемая от единицы объёма газовой среды зависит от давления газовой среды примерно пропорционально Р²

Дата добавления: 2014-11-29