2. КпДгазоразрядных лазеров

Преобразование мощности накачки в излучение газоразрядных лазеров(ГРЛ) удобно проиллюстрировать структурной схемой, отражающей основ-ныепроцессы (рис.6.3).

Полная мощностьположительногостолбаразряда

Мощность положительного столбаразряда, приходящаяся на областьактивнойсреды

ЭнергиянакачкиГРЛ

^ηэл ^ηг

Пороговая мощность возбужденияактивнойсреды

Рис.6.3.Трансформациямощности накачкивизлучениеГРЛ

Активной зоной ГРЛ является участок положительного столба, соосныйс оптическим резонатором. В некоторых конструкциях ГРЛ приэлектродныезоны не участвуют в усилении излучения. Энергия возбуждения передаетсяизлучающим частицам при столкновениях с электронами ПС. Как и в случаеТТЛ, мощность, передаваемая от электронов ПС активной среде, делится надве составляющие: первая – мощность возбуждения АС, трансформируемаядалее в излучение когерентных квантов, вторая – пороговая мощность воз-буждения АС, расходуемая на компенсацию всех видов потерь в оптическомрезонаторе. В соответствии с рис. 6.3 полный КПД газоразрядного лазераопределяетсякак

_0_эл_г_е_АС_ОР.

(6.7)

Рассмотримособенностиоценки отдельныхсоставляющихКПДгазо-разрядных лазеров.

1. КпДнакачкиГрл

Из(6.7) следует,чтоКПД накачкиГРЛможетбытьопределенкак

^нак

_эл_г_е,

где η_эл– электрический КПД ГРЛ, учитывающий потери мощности в при-электродных областях разрядной трубки; η_г– геометрический КПД, опреде-ляемыйпотерямимощностивзонахположительногостолбаразряда,неучаствующих в процессе усиления АС, например в электродных отросткахприбора; η_е– электронный КПД, отражающий долю энергии электронов ПС,расходуемую навозбуждениеверхнихлазерных уровней.

ЭлектрическийКПДГРЛнаходяткак

^эл

_^РПС

Р_н

_UПСI

UI

_^UПС_,

U

гдеU_ПС=E_zL_ПС– падениенапряжения на положительномстолберазряда(E_z– градиент потенциала в ПС;L_ПС– протяженность ПС, которую при рас-четах ГРЛ часто можно полагать равнойL_AC);UU_к+U_ПС– полное паде-ние напряжения на разрядной трубке (U_к– прикатодное падение напряжения;прианодноепадениенапряженияU_авГРЛблизко кнулю). ТогдадляГРЛ

^эл

_ E_{zLAC .}

U_кE_zLAC

Для приборов тлеющего разряда с холодным катодом значениеU_копре-деляется родом материала катода и наполняющего газа (табл. 6.2). В дуговомразрядеснакаленнымкатодомU_к=(1…1,5)U_i,гдеU_i–потенциалионизации

газа.

ГеометрическийКПДГРЛзависитотконструктивныхособенностейразряднойтрубки.Вприборахкоаксиальнойконструкции,неимеющихэлек-

тродных отростков, η_{гвыше. Для повышения ηг}в трубках линейной кон-струкции необходимо уменьшить протяженность и увеличить диаметр элек-тродных отростков.Типичными являютсязначения η_г=80...95%.

Таблица6.2

^{НормальноекатодноепадениепотенциалаU}к^{втлеющемразряде,В}

Материалкатода	Не	Ne	Ar	N2	Hg	Воздух
Никель	160	140	130	200	275	226
Молибден	171	115	145	–	353	–
Железо	150	150	165	215	300	270
Алюминий	140	120	100	180	245	230
Тантал	171	158	156	–	–	–

Вомногихлазерах(He–Ne-,He–Cd-,He–Se-,СО₂-лазерах)передачаэнергии основному излучающему газу происходит через буферный газ, име-ющий большое сечение возбуждения при столкновениях с электронами. ВтакихслучаяхКПДэлектроннойнакачкинаходятизотношенияэнергииэлектронов, участвующих в возбуждении атомов АС, к полной энергии элек-тронов положительного столба. Для определенности распределение электро-новпоэнергиям можно полагатьмаксвелловским.Тогда

eU_1eU₂^

^ eU₂^

^ eU₁^

_e

2kT

_exp^_kT

^exp^

kT

^_,

e _  e  e_

гдеeU₁,eU₂– энергии электронов, соответствующие нижней и верхней гра-ницам зоны возбуждения активных газовых сред, определяемых структуройэнергетическихдиаграмм;е–зарядэлектрона;k–постояннаяБольцмана;

T_e–электроннаятемпература.

При двухступенчатом возбуждении верхних лазерных уровней, харак-терномдляионныхаргоновыхикриптоновыхлазеровдуговогорежима,электронныйКПДвпервомприближенииможнорассчитатькак

^ eU₁^{ } eU_2eU₁^

_eexp^_kT

^exp^ ^,

kT

 e  e 

гдеeU₁– энергия ионизации атома;eU₂– энергия возбуждения верхнего ла-зерного уровня.

ВцеляхнахожденияоптимальныхрежимоввозбужденияАСГРЛнеоб-

ходимо знание вида функции η_e=f(T_e). Электронная температура, в своюочередь, зависит от разрядных условий, которые могут варьироваться в зави-симостиоттипа активной газовойсреды.