вход Вход Регистрация



Созданные в наше время молекулярные газовые ОКГ на смеси N2 – CO2 позволили получить большие мощности оптического излучения в непрерывном режиме при сравнительно высоких КПД.

Молекулярные газоразрядные лазеры (молекулярные ГРЛ) широко применяются в различных отраслях, в том числе и в медицине. Известно более 100 типов молекулярных ГРЛ, выпускаемых как отечественными, так и зарубежными фирмами.

В выпускаемых приборах в качестве активной среды в основном используется СО2 с различными добавками (N2, He), обеспечивающих повышение мощности излучения и КПД этих приборов.

Энергетический спектр молекулы СО2 определяется:

- Энергией движения электронов относительно ядер

- Энергией колебаний атомных ядер

- Энергией вращения молекулы

Полная энергия молекулы определяется суммой электронной, колебательной и вращательной энергий.

Изменение энергии между электронными уровнями при излучательном квантовом переходе возбужденной частицы, составляет 1…2 эВ, между колебательными 0,1…0,01 эВ и между вращательными 0,001…0,0001 эВ. Это, в свою очередь, определяет lизлуч. Использование колебательных уровней в молекулах лазерного генератора, лежящих сравнительно невысоко над основным, позволяет существенно увеличить эффективность накачки, т.е. повысить КПД по сравнению с атомными и ионными . Возбуждение газовой смеси в молекулярном лазере производится в основном постоянным током (рис.2.6).

Молекула СО2 является трехатомной. Здесь существует три невырожденные колебательных моды (рис. 2.7): 1) - симметричная валентная мода, 2) - деформационная мода и 3) – асиметричная валентная мода. Поэтому колебания молекулы описываются тремя квантовыми числами n1, n2, n3 , которые определяют число квантов в каждой колебательной моде.

Рисунок 2.6 – Энергетический спектр молекул СО2

– симметричная валентная мода,

– деформационная мода

- асимметричная валентная мода

Рисунок 2.7 – Три фундаментальные моды колебаний СО2.

Соответствующий уровень обозначается этими тремя квантовыми числами, записываемыми в последовательности n1, n2, n3 . Например, уровень 0110 соответствует колебанию, деформационная мода (мода2) которого имеет один колебательный квант.

Деформационное колебание представляет собой определенную комбинацию двух колебаний, происходящих во взаимноперпендикулярных плоскостях, что и описывает верхний индекс, стоящий при квантовом числе который представляет собой угловой момент этих колебаний относительно оси молекулы СО2 . Например, в состоянии 0200 () два вырожденных колебания комбинируются таким образом, что угловой момент [1].

В качестве верхнего лазерного уровня удобно использовать метастабильный уровень 00°1 с энергией 0,29 эВ, легко возбуждаемый низкоэнергетическими электронами плазмы (для примера в Не -Ne лазере для накачки необходимо использовать электроны с энергией 20 эВ).

В качестве нижних энергетических уровней можно применять короткоживущие уровни 100 и 020 с энергией -0,16 эВ.

Эффективность работы СО2 лазера повышается при добавлении молекул азота N2, у которых энергия одного из колебательных уровней практически совпадает с энергией 00°1 молекул СО2. Поэтому процесс резонансной передачи возбуждения по схеме

протекает весьма эффективно.

Структура колебательных уровней симметричных двух атомных молекул N2 имеет простой вид и характеризуется только одним квантовым числом V. Уровни с V1=1 - метастабильны, излучательный переход запрещен правилом отбора. Время жизни частиц составляет несколько секунд. Поэтому до 30% всех молекул N2 находятся на этом уровне.

Накачка верхнего лазерного уровня 00° 1 происходит как за счет прямого электронного удара, так и процесса резонансной передачи возбуждения.

Помимо уровня 0001, электроны могут возбуждать и вышележащие со­стояния 00°2, 00°3 и т.д. В результате неупругих столкновений возбужденных мо­лекул, находящихся в этих состояниях с молекулами, находящимися в основном состоянии (000), энергия возбужденных молекул уменьшается ровно па одну ступеньку с соответствующим возбуждением молекул (000) на верхний лазерный уровень. Схематически это выглядит так:

 

 

 


Таким образом, подавляющее число возбужденных молекул СО2 оказывается на уровне 001, участвует в процессе создания инверсии и лазерной генерации.

Не - третья компонента, присутствующая в смеси. Гелий имеет высокий потенциал ионизации, т.е. повышает Те до оптимальной величины (1,5-2 эВ) и способствует распаду нижних уровней 100 и 010 в результате неупругих соударений

Из-за высокой теплопроводности Не снижает температуру газовой смеси. Это очень важно, т.к. расстояние между основным (000) и нижними лазерными уровнями 100 и 020 невелико (~ 0,16 эВ). С ростом температуры газовой смеси в соответствии с распределением Стефана-Больцмана населенность нижних уровней увеличивается быстрее, чем верхних, время жизни верхнего лазерного уровня из-за столкновения возбужденных молекул уменьшается, и инверсия падает. Нагрев больше 200°С нежелателен.

Конструкции СО2- лазеров можно разделить на шесть типов:

1. Лазеры с продольной прокачкой газа.

2. Отпаянные лазеры.

3. Волноводные лазеры.

4. Лазеры с поперечной прокачкой газа (ТЕ-лазеры).

5. Лазеры атмосферного давления с поперечным возбуждением (ТЕА-лазеры)

6. Газодинамические лазеры.

Лазеры с продольной прокачкой газа.

Основная цель прокачки газовой смеси - удаление продуктов диссоциации (например СО), которые ухудшают работу лазера. Тепло, выделяемое в разряде, отводится за счет тепловой диффузии к стенкам газоразрядной трубки (которая охлаждается водой). Сама прокачка обеспечивает отвод тепла лишь при очень высоких (сверхзвуковых) скоростях прокачки. Выходная мощность ~ 50-60 Вт/м (с единицы длины разряда ) не зависит от диаметра трубки.

Рисунок 2.8 – Схема устройства СО2 лазера с продольной прокачкой газа

Отпаянные СО2 - лазеры.

Если в вышеописанной конструкции отключить прокачку газовой смеси, то через несколько минут генерация прекратится, т.к. продукты химических реакций (в частности, молекулы СО), образующиеся в разряде, уже не удаляются, а поглощаются стенками трубки или взаимодействуют с электродами, нарушая, таким образом, равновесие в смеси СО2-СО-О2. Это приводит к диссоциации молекул СО2.

Чтобы обеспечить регенерацию молекул СО2 из СО, в газоразрядной трубке отпаянного лазера должен находится определенный катализатор. Для этого в газовую смесь можно добавить небольшое количество Н2О (1%). . Требуемое количество паров Н2О можно получить в разряде газообразных водорода Н2 и кислорода О22 образуется в результате диссоциации молекул С02.).

Для инициирования восстановительных реакций используют горячий (300°С) Ni-катод, выполняющий роль катализатора. Выходная мощность отпаянных лазеров с единицы длины ~ 60 Вт/м. Отпаянные СО2 - лазеры с мощностью ~ 10 Вт используются в лазер­ной микрохирургии.

Волноводные С02. лазеры.

Такие С02.лазеры имеют низкие дифракционные потери. Наилучшие характеристики получаются, если трубки изготавливают из ВеО или SiO2. Если dтрубки до 1 мм, то лазерное излучение, благодаря отражению от внутренних стенок трубки, распространяется как в волноводе.

Выходная мощность с единицы длины меньше, чем в лазерах с продольной прокачкой.

Достоинство волнового С02.- лазера состоит в том, что частота его излучения может перестраиваться в относительно широком диапазоне (~ 1 Ггц). Применяется в качестве гетеродинов.

CO2 - лазеры с поперечной прокачкой газа (TЕ - лазеры)

В лазерах С02. с продольной прокачкой и в отпаянных существует некоторое, предельное значение выходной мощности связанное с проблемой нагрева. При КПД=20% около 80% мощности P уходит на нагревание в разряде. Тепло отводится за счет диффузии от оси трубки к охлаждаемым стенкам.

Гораздо эффективнее тепло отводится, когда газ прокачивается в поперечном по отношению к разряду направлении. (рис. 2.9)

Если скорость прокачки достаточно большая, то тепло отводится за счет конвекции (переноса), а не диффузии. При этом насыщение выходной мощности с ростом плотности тока разряда наступает при значительно более высоком значении, чем в устройствах с про­дольной прокачкой газа.

Можно получить в лазере с длиной порядка 1м мощность, намного превышающую 1 кВт.

 

Рисунок 2.9 Схема устройства СО2 - лазера с поперечной прокачкой (ТЕ-лазеры).

Разряды в поперечном электрическом поле делят на два типа:

- самостоятельный,

- несамостоятельный.

В первом случае - газ ионизируется под действием самого разряда, во втором случае - ионизацию обеспечивают дополнительными средствами, как например, источниками ионизирующего излучения.

Лазеры с поперечной прокачкой (Рвых=1-15 кВт) используются в кардиохирургии.

СО2 - лазеры атмосферного давления с поперечным возбуждением (ТЕА-лазеры)

В непрерывном СО2 - лазере с поперечным возбуждением трудно поднять давление более 100 мм.рт.ст. из-за возникновения дуги в объеме разряда.

Чтобы избежать этого, в объеме разряда между электродами прикладывают импульс напряжения. Если длительность импульса составляет долю микросекунды, то неустойчивости в разряде не успевают развиваться, и рабочее давление можно повысить вплоть до атмосферного. Энергия выхода с единицы объема разряда 10-50 Дж/л.

Применение: в экспериментах по лазерному термоядерному синтезу. Гелиос – лазер (на основе TEA), генерирует импульсы с пиковой мощностью 20 ТВт и полной энергией 10 кДж.

Газодинамический СО2- лазер.

В лазере инверсия населенностей создается не электрическим разрядом, а за счет быстрого расширения газовой смеси (содержащей СО2), предварительно на­гретой до высокой температуры. Инверсия населенности возникает в потоке в области расширения. Газодинамические СО2 лазеры дают самые высокие мощности. Принцип работы (рис. 2.10): в области 1 инверсия отсутствует, так как первоначально населенность на нижнем 000 уровне, превышает населенность на верхнем 001 уровне . При прохождении смеси через сопло температура смеси T понижается, объем V увеличивается.

1 – камера сгорания,

2 – запальное устройство,

3 – сопло,

4 – поток отработанного газа,

5 – направление индуцированного излучения,

6 – зеркало резонатора,

I – t=400K, p=1,723MПа; 7,5% СО2, 1,2% Н2, 91,3% N2;

II – V=4M*, p=8,714 кПа, t=345K

Рисунок 2.10а. Схема газодинамического ОКГ [6].

За счет T – V – релаксации населенность уровней стремиться к новым равновесным значениям. Однако время жизни на уровне 001 больше времени жизни на уровне 000 , поэтому релаксация нижнего уровня происходит быстрее. Таким образом образуется область с инверсной населенностью. Величина этой области определяется временем, необходимым для передачи возбуждения от N2®CO2 .

Рвых 80 кВт, КПД 1%. Режим работы – непрерывный в течении короткого времени (несколько секунд), так как происходит нагрев элементов (например, зеркал).

 

Рисунок 2.10б. Пространственное распределение населенностей N* верхнего и нижнего N000 лазерных уровней.

© 2017
  • Сайт "Литературка"
  • мы собираем различную техническую, образовательную, научную литратуру