Контрольныевопросы

1. Какиефункциивыполняютнеонигелийвактивнойсредегелий-неонового лазера?

2. Объяснитеходэнергетической(выходной)характеристикигелий-неонового лазера.

3. Вчемпричинанизкого КПД АСHe-Ne-лазера?

4. НазовитеосновнуюпричинунизкогоэлектронногоКПДгелий-неонового лазера?

5. Вчемпричинанизкойвыходноймощностиизлучениягелий-неонового лазера?

6. Какимипроцессамиограничендиаметрразряднойтрубкигелий-неонового лазера?

7. Чемопределяетсятребуемыйуровеньэнергииэлектроноввгелий-неоновомлазере?

8. Какзависитвыходнаямощностьлазераотсуммарногодавленияга-зовойсмеси?

9. Влияетлиплотностьразрядноготоканаоптимальноедавлениегазо-вой смеси?

10. Чемопределяетсяоптимальноесоотношениепарциальныхдавле-нийHe и Ne?

11. Какзависитвыходнаямощностьлазераотдлиныразрядногопро-межутка?

12. Как можно определить пороговую длинуL_порАС? Чем определяетсявеличинаL_пор?

13. Какможноопределитьпороговыйтоклазера?Отчегозависитпо-роговыйтокI_пор?

14. ПочемумаксимумызависимостейP=f(I)иη₀=f(I)смещеныдруготносительно друга?

15. Какможноопределитьпороговыйпоказательусиленияактивнойсреды?

16. Назовитевозможныепутиуменьшенияпотерьвоптическомрезо-натореHe-Ne-лазера.

17. Какобеспечиваетсягенерациялазеранаоднойизвозможныхдлин

волн?

18. С какойцельювыходныеокна He-Ne-лазера располагаютподуглом

Брюстеракосирезонатора?

19. ЯвляетсялиизлучениеHe-Ne-лазерасокнамиБрюстераполяризо-ванным?

20. ЧемопределяетсяуголБрюстера?

2. Молекулярныелазерына углекисломгазе

СО₂-лазеры, работающие в непрерывном режиме, обладают рекордны-ми уровнями мощности излучения при КПД в десятки процентов: в отпаян-ных лазерах мощность излучения составляет единицы–десятки ватт; в лазе-рах с прокачкой активной газовой смеси – единицы – десятки киловатт. Этиуникальные свойства обусловили широкое применение СО₂-лазеров в про-мышленностидлярезки,сваркииразмернойобработкиматериалов,атакжев медицине. Прозрачность земной атмосферы для излучения СО₂-лазеров со-здает благоприятные условия для их использования в системах оптическойсвязи,локации,приборахночного видения.

Активной средой СО₂-лазеров является, как правило, тройная смесь га-зов, включающая углекислый газ, азот и гелий в соотношении 1 : 1 ... 2 : 5 ...10 при общем давлении порядка 10 ... 20 кПа. Излучающей частицей являетсялинейнаясимметричнаямолекулауглекислогогаза.Азотвыполняетрольбуферногогаза,гелий–вспомогательного.Лазерныеуровниобразованынижними колебательными состояниями основного (нулевого) электронногоуровня молекулы СО₂. Энергия возбуждения верхнего лазерного уровня со-ставляет примерно 0,3 эВ. Близость лазерных уровней к основному состоя-нию молекулы обеспечивает высокий КПД активного вещества – отношениеэнергии кванта излучения к энергии возбуждения верхнего лазерного уровня.Его предельное значение (без учета потерь на спонтанные и безызлучатель-ные переходы с верхнего лазерного уровня) достигает 41%. Лазерный пере-ходмолекулыСО_2можетобеспечиватьгенерациюнанесколькихдесятках

длин волн в области 10,6 мкм, возникающих при переходах между различ-ными вращательными подуровнями верхнего и нижнего колебательных со-стояний.Конкуренция переходов, обладающих различнымусилением,по-давляет слабые составляющие, и в спектре излучения СО₂-лазера присут-ствует обычно одна линия, соответствующая наиболее интенсивному пере-ходу.

ОсобенностьюмолекулСО_{2является}быстраявращательнаярелакса-ция–перераспределениечастицповращательнымподуровнямданногоко-лебательногоуровняспостояннойвременипорядка10^–6с.Благодарявысо-койскоростивращательнойрелаксацииобеспечиваетсяэффективная"под-питка"верхнеголазерногоуровня,обедняющегосяпригенерации,ирасса-сываниеизбыточнойнаселенностинижнего. Этотэффектспособствуетростуинверсии населенностей и, как следствие, мощности излучения СО₂-лазеров.ВозбуждениемолекулыСО_2вположительномстолбеслаботочноготлеющегоразрядаможетпроисходитьзасчетпрямогоэлектронногоудара.Обеспечиваемыйприэтомпоказательусиленияκ_{ус(линейный}коэффициентусиления)составляет 10 ... 20% наметр длины активнойсреды. УвеличениеэффективностивозбуждениямолекулСО_{2достигается}привведениибуфер-ногогаза–азота,которыйимеетнесколькоколебательныхуровнейвозбуж-

дения, легко заселяемых при столкновениях с электронами. Первые 6 – 8уровней возбуждения N₂практически эквидистантны. Они следуют друг задругомчерезпримерноравныеинтервалыэнергии,близкиек0,3эВ,т.е.

совпадающиесэнергиейверхнеголазерногоуровнямолекулыСО₂.Прита-

ких условиях в процессе столкновений частиц возможна каскадная резонанс-ная передача энергии от возбужденных молекул N₂невозбужденным моле-куламСО₂,когдаодинатомN₂,возбужденный,напримернапятыйуровень,

способенвходепоследовательныхстолкновенийперевестинаверхнийла-

зерный уровень пять молекул СО₂. Введение в активную среду азота повы-шаетинверснуюнаселенностьлазерныхуровней внесколько раз.

Близкоерасположениелазерныхуровнейкосновномусостояниюмо-

лекулыСО_{2приводит к сильной зависимости инверсии населенностей от}температуры газа, что обусловлено больцмановским заселением нижнего ла-зерногоуровня.Притемпературахгазапорядка400К(kT=0,035эВ)уже

наступает срыв инверсии. Это вынуждает использовать принудительное во-дяное охлаждение стеклянных стенок разрядного канала. Для обеспеченияэффективного переноса тепла от разряда к стенкам в активную смесь допол-нительновводятгелий–легкий,подвижныйгазсвысокойтеплопроводно-

стью. Благодаря этому в тройной газовой смеси СО₂-N₂-He показатель уси-ления может повышаться до 100 ... 200% на метр длины. Прокачка газовойсмеси, используемая в мощных СО₂-лазерах, повышает усиление до 500% наметрдлины.Оптимизациясуммарногодавлениягазовойсмесиподборомпарциального давления гелия способствует, кроме того, установлению в по-ложительном столбе электронной температуры на уровне (1,5 … 2)∙10⁴К, ко-торая обеспечивает практическое совпадение максимума функции распреде-ления электронов по энергиям в положительном столбе разряда с максиму-мами сечений возбуждения рабочих уровней молекул СО₂и азота, приходя-щихся на энергии 1 ... 3 эВ. В итоге 50 ... 80% энергии электронов передаетсяверхнемулазерномууровнюмолекулы СО₂.

Активный элемент отпаянного СО₂-лазера конструктивно представляетсобойстеклянную или кварцевую разряднуютрубку диаметром от долей до2 ... 3 см и длиной от десятых долей до нескольких метров. Трубка окруженарубашкой водяного охлаждения, вокруг которой коаксиально располагаетсябалластный объем, соединенный с разрядным каналом. Балластный объемувеличивает общий запас газа, снижая тем самым степень влияния диссоциа-ции молекул СО₂в разряде на стабильность состава активной среды. Этой жецели служат катализаторы восстановительной реакции 2СО + О_{2= 2 СО2},например таблетки закиси меди, располагаемые в катодной области. Выход-ные окна и подложки зеркал изготавливаются из материалов, прозрачных дляинфракрасного излучения: германия, арсенида галлия, селенида цинка. Необ-ходимый коэффициент отражения рабочего зеркала обеспечивается нанесе-нием на подложку диэлектрических четвертьволновых слоев с чередующи-мися большим и малым показателями преломления. Нерабочее, “глухое” зер-кало изготавливается в виде алюминиевого или медного покрытия, нанесен-ного на металлическую или кварцевую подложки. Обычно “глухое” зеркалозакрепляется на разрядной трубке неподвижно. Серьезными проблемами вмощных СО₂-лазерах являются быстрая деградация и разрушение отражаю-щихпокрытийивыходныхоконподвоздействиемсобственногоизлучения.

Основнаяхарактеристикаактивнойсреды–линейныйкоэффициентусиленияκ_{успропорционален}инверсиинаселенностей,равнойразностинаселенностей верхнегоN₂и нижнегоN₁рабочих уровней: ΔN=N₂–N₁> 0.В газовых активных средах инверсия может быть обеспечена пропусканиемэлектрического тока через разрядный промежуток. Инверсия населенностейΔN, а соответственно, и коэффициент усиления κ_ус, являются нелинейнымифункциями мощности накачки, подводимой к активной среде. При увеличе-нии тока разряда выше порогового возрастает эффективность возбужденияактивной среды за счет роста числа возбуждающих частиц – электронов иинверсиярастет.Одновременноповышаетсятемпературагазовойсмеси,снижающая инверсию. Действие встречных тенденций приводит к существо-ваниюоптимальноготока разряда.

Влияниесоставагазовойсредынаусилительныесвойстварассматри-валосьранее.Ростдавлениягаза,первоначальносопровождающийсяувели-чениемчиславозбужденныхчастиц,вдальнейшемуменьшаетусилениевследствиеспадаэлектроннойтемпературыиувеличениядолиспонтанногоизлучения.ВактивнойсредеСО₂-лазеровзависимостьκ_усотдиаметратруб-кислабая,таккакотсутствуетмеханизмвлияниястолкновенийчастицсостенкаминарасселениенижнеголазерногоуровня,какэтоимеетместо,напримервгелий-неоновомлазере.Однакоростдиаметраразрядногоканалаухудшает отвод тепла из приосевой области разряда к охлаждаемым стенкам.Приотсутствиивходногосигнала,создаваемогопотокомквантов,вак-тивнойсредеоптическогоусилителяподдерживаетсяопределеннаяинверсия

ΔN₀,соответствующаяданномууровнювозбуждения.Показательусиления,

определяемый ΔN₀, носитназвание ненасыщенного и обозначается κ₀. В этихусловиях уход частиц с верхнего лазерного уровня происходит лишь за счетспонтанного излучения.При появлениивходного оптическогосигналав виде

направленного потока квантов с энергиейhν =W₂–W₁, гдеW₂,W₁– энергииверхнего и нижнего лазерных уровней, в активной среде возникает дополни-тельный поток квантов, обусловленный индуцированным излучением. Приэтом населенность верхнего уровня снижается, а нижнего – повышается, т. е.инверсия падает, и показатель усиления активной среды уменьшается. Этотпроцесс называют насыщением усиления. Чем выше плотность суммарногопотокаквантоввактивнойсреде,темзначительнеенасыщение.Дляслучая

неоднородногохарактерауширенияспектральныхлиний,чтоимеетместовгазоразрядных лазерах,справедливо



_yc ⁰ ,

где κ_ус– насыщенныйкоэффициент усиления, соответствующий величинеΔN< ΔN₀; κ₀– ненасыщенный показатель усиления;I_ν– спектральная плот-ностьпотокакогерентныхквантов;I_s–параметрнасыщения,которыйдля

СО₂-лазеровсоставляетпорядка10^6Вт/м2.

На практике показатель усиления активной среды определяют путемподачинавходусилителяслабогооптическогосигнала,плотностькоторогоI_ν<<I_s. Прирост мощности когерентного излучения ΔP, возникающий в ак-тивной среде протяженностьюLпри однократном прохождении потока кван-тов,определяетсякоэффициентом усилениязаодин проход

_G^Pyc_^P_вх^P_e^(κ_yc^κ_погл^)L_,

^{1 P}вх

^Pвх

(7.3)

гдеР_yc– мощность оптического сигнала на выходе усилителя;P_вх– мощ-ность входного оптическогосигнала; κ_ус–показатель усиленияактивнойсреды, м^–1; κ_погл– показатель поглощения активной среды, который для га-зовможносчитатьнулевым.Тогдаиз(7.3)

L

_yc¹ ln

^Pyc_.

^Pвх

(7.4)

Очевидно, что с учетом эффекта насыщения показатель усиления будетуменьшаться по мере распространения излучения вдоль активной среды. По-этому значение κ_ус, определяемое по экспериментальным данным с помо-щью выражения (7.4), является усредненным по длине активной среды. Ав-томатически усреднение происходит и по сечению области взаимодействияпотокаквантовс активной средой.

Следуетобратитьвниманиенасущественноеразличиепроцессовнасыщения в оптическом усилителе и в оптическом генераторе (лазере). Вусилителережимнасыщенияопределяетсяприпрочихравныхусловияхплотностью мощности входного оптического сигнала. В лазере после уста-новлениястационарнойгенерациизначениенасыщенногопоказателяусиле-

нияоднозначноопределяетсяуровнемпотерьизлучениявоптическомрезо-наторе.Оно можетбытьрассчитано изпороговых условийгенерации

^нас

^погл^1

ln(₁

_2)0,5_,

L

гдеρ_{1, ρ2–}коэффициентыотражения зеркалрезонатора.

Прогревгазоразряднойтрубкииоптическихэлементовпослевключения СО₂-лазера сопровождается замедляющимся во времени измене-нием длины резонатора, соответствующим тепловым дрейфом продольныхмод в пределах контура усиления, а, следовательно, и изменением мощностигенерации. Установление теплового равновесия лазера может затягиваться начасы. Поведение мощностиР_л=f(t) излучения лазера в переходной периодфиксируетсянадиаграммной лентесамопишущегоприбора.