2. Расчет лазера на углекислом газе

Лазер на углекислом газе (или CO₂-лазер) представляет семейство так называемых молекулярных лазеров, для которых рабочими являются переходы между колебательными состояниями в молекуле. Благодаря низкому значению энергии колебательных состояний CO₂-лазер излучает в инфракрасном диапазоне. Полоса генерируемого излучения в непрерывном режиме - от десятков до сотен мегагерц. Полоса зависит от давления газовой смеси, которое в приборах отпаянной конструкции колеблется в пределах нескольких десятков и даже сотен миллиметров ртутного столба. Мощность излучения в непрерывном режиме может составлять от единиц до десятков тысяч ватт. Энергетический КПД промышленных образцов - 10 …15 %. Стоимость одного ватта излучаемой мощности заметно ниже, чем у других лазеров.

На основе CO₂-лазеров разработаны и успешно эксплуатируются системы лазерного наведения, локационные системы контроля окружающей среды (лидары), технологические установки лазерной сварки, резки металлов и диэлектрических материалов, установки скрайбирования стеклянных поверхностей, поверхностной закалки стальных изделий. Применяются CO₂-лазеры в системах космической связи, в системах контроля воздушных и жидкостных потоков, в оборонной технике и в научных исследованиях.

Газовый состав современных CO₂-лазеров  это обычно смесь из трех компонент: углекислый газ, азот и гелий в соотношении 1:1:4 – 1:1:10.

Молекула CO₂ имеет линейную структуру с симметрично расположенными атомами кислорода относительно атома углерода. Такой молекуле свойственны три вида колебаний (моды): симметричное – v₁, деформационное – v₂ и антисимметричное – v₃.

П ринята следующая форма записи энергетических состояний молекулы CO₂: v₁ v₂^ℓ v₃, где v₁, v₂ и v₃ – квантовые числа (0, 1, 2 …), определяющие уровни энергии симметричных, деформационных и антисимметричных колебаний соответственно; ℓ – степень вырождения деформационной моды. Лазерное излучение формируется за счет энергетических переходов между уровнями 00⁰1 и 10⁰0 (длина волны излучения 10,6 мкм) либо 00⁰1 и 02⁰0 (длина волны излучения 9,4 мкм) (рис. 2.1). Заселение верхних лазерных уровней обеспечивается за счет соударений второго рода между молекулами CO₂, находящимися в основном состоянии, и молекулами азота, возбужденными до нижнего колебательного уровня (V = 1) электронными ударами в газовом разряде. Расселение нижнего лазерного уровня молекулы CO₂ в основное состояние происходит с переходом через промежуточное состояние 01⁰0. Этому процессу препятствует термическое заселение данного уровня, из-за чего уменьшается инверсия населенностей, и с повышением температуры газа мощность излучения CO₂-лазеров падает. Следует также учитывать, что CO₂-лазер –мощный прибор с большим энерговыделением в разрядном промежутке, поэтому при конструировании лазера и в процессе его эксплуатации много внимания уделяют проблеме охлаждения газовой смеси.

Добавка гелия позволяет ускорить расселение уровня 01⁰0 и снижает эффект термического заселения этого уровня благодаря высокой теплопроводности гелия.

Электрический разряд в газовой смеси CO₂-лазера приводит к диссоциации молекул:

2CO₂ + e ↔ 2CO + O₂ + e.

Для обеспечения приемлемого срока службы в конструкции лазера предусматривают балластный объем, по размерам заметно превышающий объем разрядного канала, а также принимаются меры, повышающие интенсивность регенерации молекулы СО₂.