Анодный слой
Анодный слой, всегда очень тонкий. Электроны ускоряются к аноду и ионизуют газ. Если ток на анод
больше разрядного
тока в цепи (Ia
> I),
то анод заряжается отрицательно
относительно положительного столба,
в противном случае (Ia
< I
) положительно.
Следует отметить, что в лазерных
средах (при больших р
и
j
) при
повышении давления растет анодное
падение потенциала, но сохраняется
нормальная плотность тока, сравнимая
с нормальной плотностью тока катода.
Газовые лазеры и тлеющий разряд
Появление газовых лазеров, универсальность их применения и стремление повысить энергосодержание лазерного луча привели к постановке и разрешению многих новых физико-технических проблем. Если использование тлеющего разряда в маломощных лазерах (есть лазеры мощности в доли милливатта, например, для хирургии глаза с целью приваривания сетчатки) потребовало лишь незначительно изменить конструкцию катода и анода (они стали проводящими кольцами на внутренних концах трубки (рис. 8.5), появились зеркала), то конструкция мощных лазеров стала совершенно иной.
При температуре активной газовой среды выше ~ 450 500К энергия колебательных степеней свободы, обеспечивающих генерацию когерентного излучения, начинает очень быстро переходить в поступательные степени свободы, т.е. в тепло.
Рис. 8.5. Схема СО2-лазера небольшой мощности с диффузионным охлаждением: 1 — разрядная трубка, 2 — кольцевые электроды, 3 — медленная прокачка лазерной смеси, 4 — разрядная плазма, 5 — внешняя трубка, 6 — охлаждающая проточная вода, 7 — глухое зеркало, 8 — выходное полупрозрачное зеркало, 9 — выходящее излучение
Следовательно, недопустим нагрев более чем на 300°, нужен очень интенсивный теплоотвод, чего из больших объемов за счет теплопроводности газа обеспечить нельзя. Распространение получила идея непрерывной смены газа, появились быстропроточные лазеры, а рабочий объем в них создают две параллельные пластины, длиной и шириной в несколько десятков сантиметров. Разряд организуют или вдоль потока газа, или перпендикулярно ему (рис. 8.6). Так как в лазерный луч переходит не более 30% вкладываемой в разряд энергии, не менее 70% должен уносить газ, поэтому для мощных лазеров нужны очень большие потоки газа. Расчеты (и опыт) показывают, что в наиболее эффективных СО2-лазерах на 10 кВт мощности излучения надо «израсходовать» более 80 — 100 г/с. Ясно, что система газоотвода должна быть замкнутая с охлаждением газа (системы прокачки и холодильников): небольшая активная зона «обрастает» огромным вспомогательным, но неизбежным оборудованием.
Вторая особенность — борьба с контракцией: если вместо равномерно светящегося полного объема положительного «столба» образуется один или несколько шнуров с ионной температурой Т, в десятые доли эВ, то на такой плазме инверсной заселенности колебательных уровней быть не может. Одним из основных методов, применяемых практически во всех мощных лазерах, является разделение катодов таким образом, чтобы через каждый шел ток, меньший, чем нужно для контракции. У каждого катода свое балластное сопротивление R (см. рис. 8.3), так что если даже на каком-либо из них и будет контракция, то это не существенно: катодов тысячи. Есть и другие методы, например, сделать импульсный разряд несамостоятельным и возбуждать пучком быстрых (Е ~ 100 кэВ) электронов, комбинировать постоянные и ВЧ, постоянные и импульсные напряженности электрических полей. Применение ВЧ и, особенно, импульсных электрических полей большой напряженности позволило резко увеличить энергосъем с единицы рабочего объема активной среды.
Рис.8.6. Типичная геометрия тлеющего разряда в электроразрядных лазерах на COz; a — поперечный разряд (ток идет перпендикулярно газовому потоку направления скорости); верхняя плата усеяна катодными элементами К, нижняя служит анодом А; б — продольный разряд, катодные элементы К расположены вверх по потоку, анодом А служит трубка