34. Лазер на со2, хімічний лазер.

В газорозрядних CО₂ -лазерах інверсія населенностей досягається збудженням молекул електронним ударом і резонансною передачею збудження. Для передачі енергії збудження служать молекули азоту N₂, що збуджуються, у свою чергу, електронним ударом. Зазвичай в умовах тліючого розряду близько 90% молекул азоту переходить в збуджений стан, час життя якого дуже великий. Молекулярний азот добре акумулює енергію збудження і легко передає її молекулам CО₂ в процесі непружних зіткнень. Висока інверсія населенностей досягається при додаванні в розрядну суміш Не, який, полегшує умови виникнення розряду, охолоджує розряд і сприяє спустошенню нижніх лазерних рівнів молекули CО₂. Ефективне збудження СО₂ - лазеров може бути досягнуте хімічними або газодинамічними методами.

СО 2 -лазери володіють високою потужністю (найбільша потужність лазерного випромінювання в безперервному режимі) і високим ККД близько 15—20%. При збудженні молекул CО2 електронним ударом і довжині газорозрядної труби 200 м СО2-лазер випромінює потужність 9кВт. Існують компактні конструкції з вихідною потужністю в 1 кВт. СО2-лазери можуть принципово ефективно працювати і в імпульсному режимі.

В електричному розряді СО2-лазеров мають місце небажані ефекти, руйнівні інверсію населенностей, — розігрівання газу і дисоціація його молекул. Для їх усунення газова суміш безперервно «проганяється» через розрядні труби лазерів. Так відбувається оновлення активного середовища. Для здобуття великих потужностей (декілька кВт) в безперервному режимі газ проганяють через трубку з великою швидкістю і розряд відбувається в надзвуковому потоці. Для того, щоб уникнути втрат дорогого Не, газова суміш циркулює по замкнутому контуру. Збудження електронним ударом виробляється або в резонаторі, або безпосередньо перед вступом суміші в резонатор. У кращих приладах практично всі молекули CО2 , що влітають в резонатор, вже збуджені і за час прольоту через резонатор віддають енергію збудження у вигляді кванта випромінювання.

Потужні лазери на СО₂ можна з успіхом застосовувати для різки і зварки металів, для світлової локації, а також як потужного перебудовуваного по частоті джерела світло (через можливості генерації на великому числі переходів між тісно розташованими рівнями).

Рис. 3. Схематическое изображение СО₂-лазера с быстрой поперечной прокачкой: 1 — вентилятор (компрессор); 2 — область разряда; 3 — теплообменник.

Рисунок 1.1 – Принцип устройства СО₂-лазера

34. Застосування лазерів.

Насамперед необхідно відмітити переваги квантових генераторів перед іншими джерелами високочастотної енергії для засобів зв'язку.

Так, при передачі телевізійних зображень несуча хвиля переносить сигнал, який створює ефективну ширину смуги у 4 МГц. Промінь лазера може переносити сигнал з часто­тою або шириною смуги, що дорівнює 100 000 МГц. Лазери генерують дуже вузькі пучки світла, які можна ще більше звузити за допомогою зовнішньої оптичної си­стеми. Розходження променя лазера може бути зроблене менше 20 см/км, тому густина енергії променя буде достатньою для передачі інформації на великі відстані. Оптичні генератори вже використовуються як засоби зв'язку в земних умовах.

Застосовуються лазери і для рятування людей на морі. Розроблений спеціальний мініатюрний лазер на вольфраматі кальцію з домішкою неодима. Вага приладу не перевищує 400 г. Прилад випромінює когерентне світло, яке виявляють з відстані до 50 км.

Лазери можуть також використовуватись для організа­ції оптичного телефонного зв'язку. Сполучаючи лазери з волокнами-світловодами, що передають одночасно все зображення предмета. Така система буде використову­ватись при передачі телевізійних і радіолокаційних зображень, карт погоди і місцевості або контурних карт.

Звичайні радіохвилі майже не проникають через плазму, що оточує космічний корабель під час входження в земну атмосферу. Промені лазера добре проникають через шар іонізованого повітря, забезпечуючи передачу інформації. Таким чином, лазер усуне порушення радіозв'язку з астронавтами в критичні моменти спуску корабля.

Широке застосування найдуть лазери у локації і далекометрії. Далекомірні системи, що працюють на базі світлових генераторів, можуть забезпечити велику точність вимірювання при меншій споживаній потужності порівняно з існуючими радіосистемами. Такі далекоміри мають надзвичайно вузьку діаграму спрямованості і дуже низький рівень теплових шумів порівняно з відповідною за ефективністю радіосистемою. Лазер-далекомір не сприйнятливий до зовнішніх перешкод.

За допомогою імпульсних оптичних локаторів можна вимірювати не тільки координати цілі, але й її швидкість. Найточніші дані про швидкість одержують, використовую­чи лазери у допплерівських навігаційних системах. Лазери передбачається використовувати також у локаційних уста­новках для виявлення підводних цілей. Висока роздільна здатність оптичного локатора дасть можливість подолати недоліки, які властиві акустичним системам.

Велике значення мають оптичні генератори для наукових досліджень. Створюючи потужне джерело інфрачервоного випромінювання певної частоти, можна збуджувати коливання в молекулах одного виду так, щоб інші молекули в суміші залишались у спокої. Оскільки збуджені молекули реагують більш бурхливо, ніж незбуджені, створюється можливість вибіркового керування деякими хімічними ре­акціями.

На основі лазерів можуть бути створені запам'ятовуючі комірки для оптичних обчислювальних машин. Такі маши­ни були б більш швидкодіючими порівняно з обчислюваль­ними пристроями, в яких інформація передається по про­водах або хвилевідних лініях.

Лазери можуть застосовуватись також у спектроскопіч­них дослідженнях. За допомогою оптичних генераторів мож­на перевірити правильність теорії відносності.

Лазери застосовуються у промисловості. У сфокусова­ному пучку рубінового генератора вдається одержати над­звичайно високі густини потужності. Рубіновий генератор, що випромінює імпульс з енергією 100 Дж за 200 мксек, створює у фокусі лінзи (з фокусною відстанню 1 см) потік енергії 10¹⁰ Вт/см². Протягом окремих сплесків потужність досягає 10¹³ — 10¹⁴ кВт/см². Таких великих концентрацій енергії не вдавалось одержати в жодному з приладів. У точ­ці дотикання променя лазерного генератора з речовиною створюються температури, що досягають кількох тисяч градусів. Тому речовина моментально випаровується.

За допомогою лазерів вдається свердлити отвори у над­твердих металах і мінералах. Створено промислові установ­ки для свердлення отворів у алмазах. Промінь лазера мож­на використовувати для різання твердих сплавів.

Останнім часом лазери стали успішно застосовуватись у медицині і біології. Проміння лазера можна використовувати для зашивання, стерилізації і припікання надзвичайно малих ділянок живих тканин, лазери почали лікувати очі людини, збираю­ться використати промінь лазера для видалення пухлин, у тому числі ракових у важкодоступних частинах організ­му. В результаті попередніх досліджень було встановлено, що промінь лазера дуже впливає на певні злоякісні пухлини тканей і мінімально нормальні тканини.

Такий далеко не повний перелік основних застосувань квантових оптичних генераторів.