4.2 Молекулярный лазер на двуокиси углерода (со2-лазер)

Газоразрядные СО₂ -лазеры являются наиболее ярким представителем семейства так называемых молекулярных лазеров, инверсная заселенность в которых создается между колебательными уровнями молекул, т.е между уровнями, энергия которых обусловлена движением составляющих молекулу атомов, а не возбуждением электронов.

С

Рисунок 4.5 –  Типы колебаний молекулы СО₂ :

а) симметричные; б) деформационные; в) ассиметричные

О₂- лазер генерирует излучение с длиной волны λ = 10,6 мкм (дальний ИК-диапазон) и является самым мощным из газовых лазеров.

Механизм возникновения инверсии в СО₂- лазере. Молекула СО₂ состоит из атома углерода и двух симметрично расположенных атомов кислорода, т.е имеет линейную структуру О–С–О. Как видно из рис 4.5, атомы кислорода могут совершать симметричные и ассиметричные колебания относительно атома углерода вдоль направления О–С–О, а также поперечные этому направлению так называемые деформационные колебания. Колебательные состояния молекулы СО₂ (три фундаментальные моды колебаний) имеют разную энергию квантов. Энергия квантов фундаментальных мод колебаний соответственно равна: 1) для симметричных колебаний, 2) для асимметричных колебаний, 3) для деформационных колебаний.

В каждой моде может быть один или несколько квантов. Колебательные состояния молекулы обозначаются набором трех колебательных квантовых чисел: ν₁ ν₂ и ν₃. Эти числа равны кратности возбуждения соответственно симметричных, деформационных и асимметричных колебаний молекулы СО₂. Так, например, колебательное состояние (010) есть состояние, в котором симметричные и антисимметричные колебания не возбуждены, а в деформационной (изгибной) моде имеется один квант.

Уровни энергии, связанные с лазерным излучением схематично показаны на рис. 4.6. Уровень (001) является верхним лазерным уровнем, а уровни (020) и (100) – нижними лазерным уровнями для колебательно-вращательных переходов и с длинам волн излучения 9,6 и 10,6 мкм.

Д ля получения оптимальных условий генерации в рабочую смесь СО₂- лазера помимо углекислого газа добавляют азот и гелий. Обычно разряд вСО₂- лазере происходит в смеси СО₂, N₂ и He при давлении до 0,10 МПа (1 атм.). В типичных условиях парциальное давление N₂ и He примерно на порядок меньше парциального давления углекислого газа. Для оптимизации излучения в каждой конкретной установке подбирают определенный относительный состав смеси.

Н

Рисунок 4.6 –  Схема основных уровней молекул СО₂ и N₂

акачка осуществляется непосредственно при столкновениях молекул СО₂ с электронами и передачей возбуждения от молекул N₂ на долгоживущий (001)-уровень антисимметричной моды колебаний Возбужденное состояние молекулы азота N₂ является метастабильным и отстоит от основного уровня на расстоянии весьма близком к энергетическому уровню (001) молекулы СО₂ (см. рис. 4.6). Ввиду метастабильности возбужденного состояния N₂ при прохождении тока число возбужденных атомов накапливается. При столкновении N₂ с СО₂ происходит резонансная передача энергии возбуждения от N₂ к СО₂ Вследствие этого возникает инверсия заселенностей между уровнями (001), (100), (020) молекул СО₂. Обычно для уменьшения заселенности уровня (100), который имеет большое время жизни, что ухудшает генерацию при переходе на этот уровень, добавляют гелий. Гелий выполняет роль буферного газа: через неупругие столкновения с его атомами молекулы СО₂ переводятся в основное состояние; кроме того, более эффективно отводится тепло на стенки трубки.

Закрытый СО₂- лазер При работе СО₂- лазера происходит распад молекул СО₂ на СО и О, благодаря чему активная среда ослабляется. Далее СО распадается на С и О, а углерод осаждается на электродах и стенках трубки. Все это ухудшает работу СО₂- лазера. Чтобы преодолеть вредное действие этих факторов, в закрытую систему добавляют пары воды, которые стимулируют реакцию . Используются платиновые электроды, материал которых является катализатором для этой реакции. Для у величения запаса активной среды резонатор соединяется с дополнительными емкостями, содержащими СО₂, N₂, Не, которые в необходимом количестве добавляются в объем резонатора для поддержания оптимальных условий работы лазера (рис.4.7). Такой закрытый СО₂- лазер, в состоянии работать в течение многих тысяч часов.

П

Рисунок 4.7 –  Схема закрытого СО₂-лазера

роточный СО₂- лазер. Важной модификацией является прочный СО₂- лазер, в котором смесь газов СО₂, N₂ и Не, непрерывно прокачивается через резонатор (рис.4.8) в аксиальном направлении. Такой лазер может генерировать непрерывное когерентное излучение мощностью свыше 50 Вт на метр длины своей активной среды.

Газовые СО₂- лазеры могут работать как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режимах. Для СО₂- лазеров характерен высокий КПД (15 – 20 %), объясняемый тем, что все рабочие уровни находятся очень близко к основному состоянию.

Л

Рисунок 4.8 –  Схема проточного СО₂-лазера

азеры на углекислом газе могут давать излучение мощностью в десятки киловатт в непрерывном режиме. Высокие мощность и КПД определили широкое применение СО₂- лазеров в технологических процессах.