ЛЕК Устр и действ / Устройство и действие Л-9

«Устройство и действие лазерных систем»

Лекция 9: Системы накачки (2)

8.1.Электрическая накачка

8.2.Накачка полупроводниковых лазеров

8.3.Химическая накачка

8.4.Газодинамическая (тепловая) накачка

Накачка электрическим разрядом (2)

Свойства газового разряда (2)

Кроме возбуждения частиц в газовом разряде протекают обратные им процессы тушения при спонтанном излучении и в результате столкновений, а также целый ряд реакций, связанных с

образованием и перераспределением энергии в плазме.

Большую роль в работе газоразрядной системы накачки играют поверхностные явления на электродах и ограничивающих плазму поверхностях: фотоэффект, термо- и автоэлектронная эмиссия электронов на катоде и другие. Направленное движение заряженных частиц в ионизированном газе под действием электрического поля называется дрейфом. Электроны в электрическом поле набирают энергию в интервале между столкновениями и отдают ее при упругих и неупругих столкновениях с ионами, атомами и молекулами.

Приближенно скорость дрейфа электронов выражается зависимостью: ue ≈ be × E , где be – коэффициент пропорциональности, называемый подвижностью электронов.

Аналогично для тяжелых заряженных частиц - ионов скорость дрейфа в направлении электрического поля можно записать как ui ≈ bi × E, где bi - подвижность ионов. Плотность тока заряженных частиц в плазме определяется их плотностью, зарядом и скоростью дрейфа: j = Σ (n × z × e × u), для каждого сорта частиц, где n - концентрация

заряженных частиц, z - их заряд в единицах электронного заряда е. Тогда плотность тока в плазме можно представить в виде J = je + ji = e × ne × ue + z × ni × ui , так как масса электронов те много меньше массы ионов (me << mi), то их подвижность должна быть много больше (be >> bi) и при примерном равенстве ne ≈ соотношение электронных и ионных токов удовлетворяют неравенству je >> ji, т. е. ток в квазинейтральной плазме переносится в основном электронами.

Накачка электрическим разрядом (3)

Вольт-амперная характеристика (ВАХ)(1) Эл. ток в газоразрядном промежутке характеризуется многообразием эл., квант., г/д процессов, точное

описание которых вызывает серьезные трудности. Поэтому при изучении эл. разряда в газах часто отказываются

от рассмотрения всех сопутствующих явлений и останавливаются на анализе связи между U и J – ВАХ, описывающую связь между напряжением и током

U = U(J)

Напряжение на разрядном промежутке

(между точками А и В): U = E – J × Rвн, где Е - ЭДС источника электропитания; Rвн – сопротивл. внешней цепи. Изменяя величины Е и Rвн по одиночке или одновременно, можно, определяя при каждом их новом значении U к J, получить кривую ВАХ. Прежде всего на этой кривой выделяются два участка: OABCD - участок несамостоят. разряда, для существования эл. тока в котором необходим внешний источник ионизации газа, и DEFGHKL - участок самостоят. разряда в котором J поддерживается только за счет энергии эл. поля, подводимой к электродам разрядного промежутка. На участке OA ВАХ сопротивление газового промежутка постоянно и зависимость U=U(J) линейная. Участок ВС характеризуется насыщением,

когда эл. ток перестает зависеть от напряжения. Дальнейший рост напряжения (участок CD) приводит к появлению заметного количества вторичных электронов, образующихся при столкновениях частиц в газе и бомбардировке катода положительными ионами. Начиная с точки D при напряжении на разрядном промежутке, называемом напряжением зажигания Uзаж, число вновь образующихся носителей эл. тока сравнивается с числом гибнущих в разряде частиц. Участок DE -это самостоятельный разряд, поддерживаемый при напряжении зажигания

разряда. Он называется таундсеновским, или «темновым». Свечения разряда при этом не

«темным». Свечения разряда при этом не наблюдается, токи очень малы (J= 10-10...10-5 А).

Накачка электрическим разрядом (4)

Вольт-амперная характеристика (ВАХ)(2) С ростом тока за точку Е самоподдержание разряда обеспечивается за счет падения напряжения в узкой прикатодной области а поле во внешней области лишь обеспечивает проводимость газового промежутка. При этом суммарное

напряжение на разрядном промежутке

падает до величины, значительно меньшей напряжения зажигания Uзаж. Участок правее точки F называется областью тлеющего разряда. Сначала он занимает лишь

часть площади катода, при этом плотность тока называется «нормальной». С ростом тока

площадь, занимаемая на катоде разрядом, увеличивается при сохранении «нормальной»

плотности тока (участок FG). Это происходит при почти постоянном напряжении на разрядном промежутке. После заполнения всей площади катода разрядом рост тока сопровождается увеличением плотности тока и напряжения на разрядном промежутке. Этот участок GH навзывается участком «аномального» тлеющего разряда. При дальнейшем росте тока происходит разогрев поверхности катода, приводящий к росту термоэмиссии электронов. Положительная обратная связь между этими явлениями

приводит к переходу правее точки Н к дуговому разряду, причем ток продолжает расти при

снижающемся напряжении на разряд-пом промежутке. В газовых лазерах для возбуждения активной среды могут использоваться как несамостоятельный, так и самостоятельный электрический разряд.

Накачка электрическим разрядом (5)

Несамостоятельный разряд (НСР) Использование НСР для накачки АС лазеров позволяет работать в области возрастающей ВАХ, т. е. повышенной устойчивости разряда, и отказываться от исп. в цепи балластных сопр. Rб, на которых рассеивается значит.

мощность. Основными способами поддержания НСР являются

фотоионизация,ионизация пучком электронов и ионизация вспомогат. импульсными разряд.

Ионизация газа оптическим излучением основано на явлении фотоэффекта, когда энергия фотонов оказывается достаточной для отрыва электронов с верхних уровней атомов или

молекул рабочей среды. Наиболее эффективны в этом случае кванты УФ и рентген. диапазон.

В схеме на рис. (а), в качестве источника УФ излучения используется искровой разрядник 4. Фотоны (hν), попадая в активную среду 1, вызывают ее ионизацию, т. е. образование положительных и отрицательных частиц, которые обеспечивают эл. ток в газовом разряде между катодом 3 и анодом 2.

Наибольшее распространение получили схемы с пучком быстрых электронов (рис. б). Источником электронов является электронная пушка 5. Электроны в ней ускоряются в эл. поле высокой напряженности. Давление в камере электронной пушки не должно превышать 10-5 Па. Между камерой электронной пушки и активной средой лазера устанавливают тонкую фольгу

толщиной в несколько десятков мкм, через которую могут пролетать электроны с высокой

энергией, обеспечивающие ионизацию газовой смеси. Созданные этим пучком вторичные, медленные электроны дрейфуют между катодом 3 и анодом 2 разрядного промежутка и возбуждают активные частицы лазерной смеси.

Схема НСР с ионизацией вспомогательным разрядом показана на рис. в. Ионизация газа в такой схеме происходит при подаче на электроды газоразрядной камеры (3, 2) коротких вспомогательных импульсов высокого напряжения на фоне дежурного пониженного напряжения. Если напряжение вспомогательных испульсов достаточно для создания условий СР, то после его окончания в газовой смеси еще остаются носители заряда, обеспечивающие поддержание НСР в распадающейся плазме до начала следующего импульса.

Схемы накачки с использованием несамостоятельного разряда применяются в TEA СО2- лазерах и в эксимерных лазерах.

Накачка электрическим разрядом (6)

Самостоятельный разряд Наиболее распространена накачка газовых

лазеров самостоятельным эл. разрядом, не треб. дополнит. системы ионизации газовой среды. Область самостоятельного разряда включает весь участок ВАХ, находящийся правее точки D. Возбуждение ЭРЛ может происходить при режимах, характерных как для тлеющего, так и дугового разряда.

Тлеющий разряд применяется для накачки непрерывные лазеров. Более эффективно исп.

тлеющего разряда для накачки молекулярных лазеров, т.к. колебательные энергетические

уровни расположены близко к основному состоянию. Например, в СО2-лазере разность энергии между верхним лазерным уровнем и основным состоянием молекулы углекислого газа гораздо

меньше, чем в He-Ne. Поэтому КПД накачки активной среды СО2 - лазера тлеющим разрядом очень высок. Существует оптимальное соотношение между параметрами эл. разряда и газовой смеси, при котором КПД накачки более 90 %.

Одной из наиболее серьезных проблем исп. самостоятельного тлеющего разряда для накачки мощных газовых лазеров, является его плохая устойчивость при больших объемах активной среды. Для поддержания устойчивости разряда приходится либо снижать давление активной среды, либо переходить к использованию «ножевых» и «штыревых» катодных элементов (рис.). Такой подход позволяет работать с большими объемами активных сред при высоких давлениях (свыше 10…100 Па). При этом каждый катодный элемент подсоединяется к общему источнику через индивидуальное балластное сопротивление.

В ионных лазерах высокоионизрованную плазму получают в дуговом разряде с высокой плотностью тока. Так, в аргоновом лазере необходимый уровень ионизации достигается применением сильноточного дугового разряда плотностью до 2000 А/см2 и разрядного

капилляра малого диаметра.

Весьма перспективным способом возбуждения активной среды СО2 -лазеров является использование тлеющero высокочастотного (ВЧ) разряда, либо самого по себе, либо в комбинации с тлеющим разрядом постоянного тока. Для ВЧ-разряда не нужны балластные сопротивления, роль которых играют емкостные элементы, что позволяет сократить потери энергии в разрядной цепи. Более высокая устойчивость разряда допускает введение больших мощностей энергии на единицу объема активной среды.

Накачка полупроводниковых лазеров

По способу накачки п/п лазеры можно разделить на инжекционные (а), с оптической накачкой (б) и с накачкой пучком быстрых электронов (в). При соединении п/п р- и n-типов (a) создается инверсия населенностей. Для поддержания инверсии нужно приложить к этому переходу эл. напряжение. Через р-n переход потечет эл. ток из электронов и дырок, двигающихся навстречу друг другу. Эти два потока встречаются в тонком слое перехода и рекомбинир. излучая свет. Условие инверсии в р/n-переходе выполняется с тем большим запасом, чем больше напряженность эл. поля в переходе и чем больший ток через него протекает. КПД накачки лазеров на р-n-переходах превышает 50 %.

В п/п можно добиться инверсии облучая его светом (оптическая накачка). Если энергия фотонов накачки hvн больше ширины запрещенной зоны е, то фотоны, поглощаясь в полупроводнике, переводят электроны из валентной зоны в зону проводимости При значительно интенсивной световой накачке число переходов может оказаться достаточным для вырождения электронов и дырок. Если же энергия фотона меньше hvн < е, то фотон поглотиться не

может, для таких фотонов п/п прозрачен. Выгоднее всего облучать п/п светом, энергия квантов которого только немного больше е. В этом случае рождающиеся электроны и дырки будут находиться вблизи краев соответвующих зон. КПД оптического возбуждения также высок (ηн ~ 50%), однако следует иметь в виду низкий энергетический КПД лазера - источника накачки. П/п

лазеры с накачкой пучком быстрых электронов (в) перекрывают очень широкий диапазон длин

волн от ИК до УФ. Они работают в импульсном режиме, их КПД накачки составляет около 20 %.

Химическая накачка (1)

Накачка HF(DF)-лазеров (1)

Под химической накачкой понимается такой способ возбужд. АС лазера, при котором необходимая для этого энергия получается за счет неравновесного распределения химическ. энергии среди продуктов реакции в системе накачки. В рабочих процессах НF(DF)-НХЛ используется только «холодная» реакция: F + H2(D2) → HF*(DF*) + Н, с запасенной энергией 136,0 кдж/моль.

Образование активных центров реакции накачки - атомов F происходит при термической диссоциации. Высокие степени диссоциаций окислителя (а<0,95) требуют температуру > 1500 при давлениях > 0,2 МПа, что существенно отличается от оптимальных условий образования активной среды. Поэтому необходимо разделить процессы образования активных центров, т. е. атомов F, и возбужденных частиц HF*(DF*). Кроме того нужно организовать быстрое удаление «отработанных» молекул HF(DF) из зоны реакции, чтобы избежать теплового «запирания».

Техническим устройством, обеспечивающим решение практически всех перечисленных проблем является смесит. сопловой аппарат (СА). СА НХЛ создает окислительные струи

фтора и струй горючего (водорода). Быстрая скорость перемешивания достигается уменьшением размера сопл. СА НХЛ устанавливает давление, температуру и состав смеси, необходимые для протекания реакций накачки. Кроме того, высокая скорость сверхзвукового потока увеличивает длину АС и обеспечивает быстрое удаление «отработавших» молекул. Известно много конструкций смесительных СА НХЛ. Наиболее перспективные аппараты построены по трехструйной схеме, когд между струями горючего и окислителя вдувается струя

инертного газа - Не, что позволяет растянуть активную зону и обеспечить в ней лучший

тепловой режим.

Химическая накачка (2)

Накачка HF(DF)-лазеров (2) Особенностью энергетич. схемы накачки HF-лазер является то, что энергия продуктов реакции достаточна для возбуждения молекулу HF вплоть до уровня v = 3. Расстояния между энергетическими уровнями для молекул HF не совсем одинаковы, поэтому лазер на HF, если не монохроматический: в его спектре излучения существует большое число линий (каждый колебательный уровень имеет еще ряд вращательных состояний) в диапазоне 2,6…3 мкм. Наибольшая

населенность при холодной реакции создается на

уровне v = 2, что обеспечивает самый высокий kν

лазера на колебательно-вращательных переходах в полосе v = 2 → v= I. Для DF лазера λ=3,6…4 мкм, что позволяет использовать их в атмосфере.

КПД химической накачки в HF- НХЛ - отношение энергии Ен, идущей иа возбуждение молекулы HF* к полной энергии, выделяющейся в ходе реакции, Ео = - Н + Ен. Для «холодной» реакции эта величина, как уже указывалось, составляет - 0,7 ( ηн ≈ 70 %). При этом Ен/Ео, имеет смысл и

квантового КПД. Однако для проточных газовых лазеров более показательной оценкой

является величина удельного энергозапаса, т. е. количество запасенной в активной среде энергии Ен, которая может быть преобразована в лазерное излучение, приходящееся на единицу массы активной среды: n = Ен/mас. Для «холодной» реакции накачки HF-НХЛ 730 кДж/кг. Кроме непрерывных химических лазеров существуют химические лазеры импульсного действия. Рабочая смесь импульсного лазера готовится в специальном реакторе. Для приготовления смеси необходимо использовать стабильные компоненты, а затем

инициировать реакцию созданием химически активных центров. В качестве инициирующих

воздействий наибольшее распространение получили фотолиз (фотодиссоциация) и диссоциация молекул электронным ударом. Возбужденными молекулами, получающимися в результате химических реакций, как правило, являются HF*, DF*, НСl* и OD*, которые могут излучать сами или передавать возбуждение другим молекулам (например, СО2).