2.5. Молекулярный со2 – лазер
К недостаткам атомных ( и ионных ) лазеров следует отнести низкий КПД. Причиной низкого КПД является относительно высокое расположение верхнего рабочего уровня над основным уровнем, что требует значительных затрат внешней энергии накачки для возбуждения атомов ( ионов ) и создания условия для их инверсной заселенности. Как указывалось в 1.2, молекулы, в отличие от атомов, имеют помимо электронных колебательные и вращательные уровни. Они расположены ближе к основному уровню, поэтому КПД у молекулярных лазеров практически на порядок выше, чем у газовых, и составляет 10…..20 %.
Наибольшее распространение среди молекулярных лазеров получили лазеры на углекислом газе ( СО2 – лазеры), в которых в качестве активного вещества используется газовая смесь, состоящая из СО2 и N2 c добавлением Не.
Принцип действия СО2 – лазера практически не отличается от Не – Ne лазера. Азот N2 в таком лазере выполняет ту же роль, что и Не в Не – Ne лазере, т.е. при столкновении с молекулами СО2 передает им свою энергию. Атомы N2 возбуждаются за счет получения энергии от столкновений с электронами тлеющего разряда и передают, в свою очередь, энергию молекулам СО2. Кроме того, молекулы СО2 получают также дополнительную энергию от столкновений с электронами. Таким образом обеспечивается механизм инверсионной заселенности в углекислом газе. Процесс интенсивных столкновений между частицами газовой смеси приводит к разогреву активного вещества, что требует соответствующего теплоотвода, роль которого выполняет Не.
рис.2.9
На рис.2.9 приведена диаграмма нижних энергетических уровней СО2 и N2. Основные переходы в СО2 - лазере наблюдаются в ИК – диапазоне между уровнями Е4 Е3 с длиной волны = 10,6 мкм и Е4 Е2 с длиной волны = 9,6 мкм. Уровень Е1 N2 и уровень Е4 СО2 близки, поэтому эффективность возбуждения при передаче энергии от N2 к СО2 велика. СО2 – лазер работает в непрерывном и импульсном режимах. Наиболее интенсивное излучение соответствует переходу с = 10,6 мкм.
Основные характеристики СО2 – лазеров:
Высокий КПД - 10….20
Высокая мощность излучения :
в непрерывном режиме до 10 кВт,
в импульсном режиме до 100МВт ( при длительности импульсов
100 нс.
Высокая степень монохроматичности = 10 –4….10-5,
Малая расходимость
-
десятые доли градуса.
Указанные высокие характеристики СО2 – лазеров приводят к тому, что последние находят широкое применение в различных производственных технологиях ( резка материалов плат для интегральных микросхем, получение отверстий для создания многослойных коммутационных плат БИС и СБИС, подгонка номиналов различных пленочных элементов в пленочных и гибридных ИМС и т. д.), в протяженных оптических системах связи с открытым оптическим каналом и в оптических системах локации, в военной области для создания систем лазерного оружия и аппаратуры радиоэлектронного противодействия.
Основными недостатками СО2 – лазеров являются их большие габариты, зависящие от требуемой мощности излучения. Размеры СО2 – лазеров составляют от нескольких сантиметров до нескольких метров. Кроме того, особенность работы таких лазеров состоит в обеспечении постоянного перемещения массы газа через газоразрядную трубку. Это вызвано оттоком молекул СО2 из смеси газов из-за их диссоциации: СО2 2СО + О2
Поэтому для постоянного обновления газовой смеси и охлаждения ее используется дополнительная аппаратура, обеспечивающая продув смеси через газоразрядную трубку. Для этих целей применяется сверхзвуковое сопло. Такие СО2 – лазеры получили название газодинамических лазеров. Впервые газодинамический лазер был спроектирован в Советском Союзе в 1966 году. Использование эффекта сверхзвукового продува смеси позволяет увеличить мощность СО2 - лазера в непрерывном режиме излучения до 0,5…..1 МВт.