11.4. Молекулярные лазеры

11.4.1. CO₂ – лазер

СО₂ – лазер нашел широкое применение для обработки материалов. Его используют в технологиях лазерной резки, сварки и плавления материалов. Лазер с мощностью 10 кВт позволяет резать и сваривать стальные листы толщиной в несколько сантиметров. Лазеры малой мощности (менее 100 Вт) используют для обработки небольших деталей микросварки и маркировки изделий. Преимущество СО₂ – лазера по сравнению с другими газовыми лазерами заключается в более высокой эффективности (~ 20%) и возможности получения высокой непрерывной мощности, превышающей 20 кВт. Излучение лазера с длиной волны 10 мкм лучше поглощается многими синтетическими материалами по сравнению с излучением ближнего ИК-диапазона 1,06 мкм неодимового твердотельного лазера. Удельный энергосъем активной среды СО₂ – лазера при оптимальном составе газовой смеси составляет 40 .. 50 Дж/(литратм.)

Атомы в молекуле СО₂ расположены симметрично вдоль прямой линии. Ось симметрии проходит через ядра атомов, а плоскость симметрии перпендикулярна данной оси. Молекула имеет две вращательные и 3 колебательные степени свободы. Для получения представления о колебаниях атомов в молекуле достаточно простой механической модели гармонических колебаний. Соответствующие колебательные движения показаны на рис.11.6.

Рис. 11.6. Колебательные движения в молекуле СО₂. а – невозбужденная молекула, б- г типы нормальных колебаний.

Рис. 11.7. Колебательно-вращательные спектральные полосы поглощения СО₂ в областях 9,4 и 10,4 мкм.

Генерация может происходить на одной или нескольких линиях основных полос, показанных на рис. 11.7, обладающих наибольшим усилением (поглощением). Доплеровская ширина отдельной колебательно-вращательной линии при давлении 5 мм рт.ст. и Т = 300К составляет около 50 МГц. При более высоких давлениях и температуре линии уширяются.

Положения центров полос в спектре поглощения СО₂ измерены с исключительно высокой точностью до десятков килогерц методом оптического гетеродинирования. Положения максимумов полос зависят от изотопного состава молекул СО₂. Всего существует 9 типов молекул, образованных разными изотопами кислорода и углерода.

Рис. 11. 5. Некоторые колебательные уровни молекулы СО₂, участвующие в генерации на линиях 10,6 мкм и 9,6 мкм (а). б – основное состояние и первое возбужденное состояние молекулы азота.

В лазере на углекислом газе генерация происходит при переходах между колебательными уровнями основного состояния молекулы СО₂. Поэтому в газовой смеси не требуется возбуждать высоко лежащие уровни энергии. В результате эффективность накачки оказывается достаточно высокой. Молекула, совершив вынужденный переход в канале генерации, быстро релаксирует в основное состояние и вновь может участвовать в работе лазера. Лазер на углекислом газе, обладая высоким кпд, может иметь и большую выходную мощность. Лазер с длиной разрядной трубки в несколько метров излучает в непрерывном режиме мощность в несколько киловатт.

Из рассмотрения энергетической диаграммы уровней молекулы СО₂ следует, что максимально возможный кпд такой системы равен 38%. Однако эта величина представляет собой теоретический предел. Хорошо сконструированный СО₂ – лазер преобразует в излучение в лучшем случае 20% от вкладываемой электрической энергии.

Во всех типах СО₂ – лазеров на процесс генерации существенно влияет температура активной среды, которая зависит от мощности электрического разряда. По мере роста температуры растет населенность нижнего лазерного уровня. Поэтому на практике при увеличении энергии разряда вначале наблюдается рост мощности генерации, но по достижении некоторого уровня выходная мощность стабилизируется, а, когда температура газа становится выше 150С, - начинает падать. Простейший способ охлаждения газа основан на передаче тепла охлаждаемым стенкам емкости, в которой находится газ. Такая методика применяется в лазерах с выходной мощностью до 100 Вт. Другой способ сводится попросту к удалению нагретого газа путем прокачки активной среды через область газового разряда. Такой способ применяют в лазерах с мощностью в несколько киловатт.

Практически во всех эффективных СО₂ –лазерах в качестве дополнительного канала для перекачки энергии в верхнее лазерное возбужденное состояние используют молекулы азота. В электрическом разряде с высокой эффективностью образуются колебательно возбужденные молекулы N₂ , количество которых достигает 50% от общего их числа. Молекула N₂ состоит из двух одинаковых ядер и ее дипольное излучение запрещено. Она может дезактивироваться только при столкновениях со стенками сосуда или с другими молекулами. В смеси СО₂ и N₂ колебательная энергия молекул азота может легко передаваться молекулам углекислого газа, поскольку существует близкий резонанс между их колебательными возбужденными состояниями.

Эффективное охлаждение газового разряда достигается добавлением в него гелия. Все энергетические уровни гелия лежат выше 20 эВ, так что эта газовая компонента слабо влияет на свойства разряда в СО₂, оптимальная средняя энергия электронов в котором должна лежать в пределах 1 … 3 эВ. Теплопроводность гелия примерно в 6 раз выше теплопроводности азота и углекислого газа. Значительное увеличение скорости теплообмена, происходящее при добавках гелия нейтрализует выделение тепла и позволяет лазеру работать при более высоком разрядном токе и мощности излучения.

Во время разряда образуется заметное количество молекул СО, так как энергия диссоциации молекул СО₂ составляет всего 2,8 эВ.

Водяной пар добавляют для того, чтобы снизить степень диссоциации молекул СО₂ на СО и О. Добавка Н₂О при давлении0,2 мм рт.ст. практически полностью устраняет диссоциацию и позволяет поддерживать в отпаянных системах оптимальную концентрацию СО₂.

Рабочая смесь содержит также небольшие добавки Хе. Было обнаружено, что добавка ксенона при давлении 0,5 мм рт.ст. приводит к увеличениию КПД и выходной мощности. Наличие ксенона изменяет распределение электронов разряда по энергиям. Число электронов с энергией менее 4 эВ увеличивается, а с большей энергией – уменьшается. Это увеличивает скорость колебательного возбуждения СО₂ и N₂. Потенциал ионизации ксенона равен 12,1 эВ, что на 2… 3 эВ меньше, чем у других компонент газовой смеси. Это означает, что продольное электрическое поле разрядной трубки устанавливается при более низком значении для поддержания разряда, чем в отсутствии ксенона. Низкий потенциал ионизации ксенона способствует образованию новых электронов для поддержания разряда. Поэтому при том же самом токе продольное электрическое поле уменьшается, что в свою очередь приводит к уменьшению средней энергии электронов.

а б

Рис. Сечения колебательного возбуждения молекул СО₂ (а) и N₂ (б) электронным ударом. Сечение поглощения для СО₂ имеет 4 резонанса, два из которых имеют высокоэнергетические хвосты.

Типичным примером является разряд длиной 130 см в трубке диаметром 10 мм, заполненной смесью: СО₂, N₂, He, Xe и Н₂О при парциальных давлениях соответственно 2,5; 3,5; 12,0; 0,6 и 0,2 мм рт. ст. Напряжение разряда 17 кВ, ток разряда 30 мА. Выходная мощность лазера с такой трубкой составляет 70 Вт.

В лазерах с киловаттной выходной мощностью для промышленного применения необходимо обеспечить проток активной среды через область разряда. В этом случае избыток тепла удаляется протекающим газом. При этом мощность возбуждения лазера может значительно, на несколько порядков величины превышать ту, которая имеет место в откачанных системах при охлаждении за счет диффузии к стенкам. Во всех эффективно охлаждаемых лазерных системах выходная мощность лазера пропорциональна массовому расходу газа в объеме, занимаемом активной средой.

Рис.11. Схемы лазеров с протоком газовой смеси. Системы с продольной (а) и поперечной (б) прокачкой.

На рис. 11. показаны схемы устройства газоразрядной системы СО₂ -лазеров с продольной и поперечной прокачкой. Продольная прокачка позволяет получать относительно стабильное поведение электрического разряда. В этом случае разряд представляет собой положительный столб, стабилизированный диффузией. В лазерах с продольной прокачкой легко реализуются условия генерации на единственной гауссовой поперечной моде ТЕМ₀₀ лазерного резонатора. Недостатками системы с продольной прокачкой являются малая удельная выходная мощность и необходимость использования высокой скорости прокачки. В трубке длиной 50 см и внутренним диаметром 16 мм при скорости прокачки 300 м/сек получают выходную мощность в многомодовом режиме до 5 кВт при КПД 20%.

При низких давлениях газовой смеси в несколько торр, характерных для СО₂ –лазеров с продольной накачкой, линия усиления определяется вращательной структурой колебательных уровней (рис. 11.7). Ширина спектральных контуров этой структуры составляет 50 МГц, поэтому лазер с длиной резонатора даже в несколько метров автоматически работает на одной продольной моде, то есть его спектр является одночастотным. При этом в излучении лазера отсутствуют высокочастотные колебания интенсивности.

В неселективном резонаторе генерация происходит на той вращательной линии, которая обладает наибольшим усилением. Обычно это линии на частотах 944,2 и 975,9 см^-1 (длины волн 10,59 и 10,61 мкм). Обращаясь к рис. 11.7 можно видеть, что генерация может происходить и на других частотах в области 9,3 .. 9,6 мкм. Однако переходы 10-микронной полосы имеют большее усиление и при использовании неселективного резонатора генерация происходит на вращательной линии именно этой полосы.

Богатая структура в двух колебательных полосах с инверсной населенностью при использовании спектрально селективного резонатора позволяет получать генерацию практически на любой из линий вращательной структуры. При малых давления газа возможна только дискретная перестройка по этим линиям.

Для получения возможности непрерывной перестройки частоты необходимо повышать давление газа. Полное перекрытие вращательных линий происходит при давлении ~ 14 атм. При столь высоких давлениях возникает серьезная проблема обеспечения стабильности электрического разряда. Ее решают путем использования поперечного импульсного разряда и предварительной ионизации газа внешними источниками УФ излучения или быстрыми электронами.

Расширение спектрального контура усиления в лазерах активной средой высокого давления позволяет создавать СО₂-лазеры, работающие в режиме синхронизации мод и генерирующие импульсы длительностью порядка наносекунды.

На практике непрерывную выходную мощность, превышающую 5 кВт, получают в системах с поперечной прокачкой. Скорость протока в поперечной системе на порядок величины меньше, чем в продольной схеме прокачки газа. Основная проблема осуществления разряда при поперечной прокачке состоит в неустойчивости плазменного столба. Для того, чтобы достичь эффективной лазерной генерации необходимы специальные меры по оптимизации конструкции электродов для стабилизации разряда.

В СО₂ лазерах используют резонаторы двух типов: устойчивый и неустойчивый.

Рис. 11 . Схема устойчивого и неустойчивого резонаторов. Форма волнового фронта обозначена линиями.

В резонаторе используют зеркала с многослойными диэлектрическими покрытиями на медной подложке. Выходные зеркала резонатора в устойчивом резонаторе, работающие на пропускание, изготавливают из германия, халькогенидных стекол, кристаллов марки КРС или селенида цинка. Высокий показатель преломления этих материалов часто позволяет использовать в качестве выходного зеркала плоскопараллельную подложку без отражающих покрытий.

При плотности мощности выше 1 кВт/см² возникают трудности, связанные с лучевой стойкостью пропускающего зеркала. В мощных лазерах эту проблему решают, используя неустойчивый резонатор. Такой резонатор образуют зеркала на металлических (медных) подложках, охлаждаемых проточной водой. Для вывода излучения из неустойчивого резонатора без использования прозрачных для лазерного излучения подложек, используют металлическое зеркало с отверстием, наклоненное на угол 45 градусов. В ближней зоне поперечное сечение луча образует кольцевую картину. Для устранения пространственной структуры, возникающей в результате дифракции излучения на краях отверстия его кромки необходимо аподизировать.

а б

Рис. 11. а. Схема конфокального неустойчивого резонатора. Б – вывод излучения из резонатора с помощью наклонного зеркала.