4. Схема газоразрядных со2-лазеров.

На Рис.5 приведены схемы СО₂-лазера с прокачкой газа.

Рис. 5. Схемы СО₂-лазера.

На Рис.5, а): 1 – система прокачки СО₂, 2 – система прокачки N₂, 3 – область высокочастотного тлеющего разряда, 4 – рабочая область, где происходит смешивание возбужденного азота с невозбужденными молекулами СО₂, 5 – зеркала резонатора, 6 – выходное излучение. В данном варианте лазера электроны в разряде возбуждают только молекулы азота, а затем, уже в другой области пространства, возбужденные молекулы азота передают энергию активным центрам.

Далее, лазер, схема которого представлена на Рис.5, а), претерпел небольшую модификацию. В этой модификации применялся тлеющий разряд постоянного тока в смеси СО₂+N₂. Схема такого лазера представлена на Рис.5, б), где 1 – рабочий объем, 2 – анод, 3 – катод, 4 – зеркала резонатора, 5 – выходное излучение. Как и предыдущая, данная схема основана на прокачке газа. Прокачка газа позволяет избежать нежелательного изменения химического состава активной газовой смеси, происходящего в результате разряда химической реакции 2СО₂ – 2СО + О₂.

Но на самом деле, в настоящее время широко используют отпаянные СО₂-лазеры, то есть без прокачки газовой смеси. Срок службы такого лазера может достигать порядка 1000 часов. Схема такого лазера представлена на Рис.6, где 1 – газовая смесь в рабочем объеме, 2 – анод, 3 – катод, 4 – зеркала резонатора, 5 – выходное излучение.

Рис. 6. Отпаянный СО₂-лазер.

4.1. Проблемы и недостатки газоразрядных со2-лазеров.

Как правило, в описанных выше лазерах, давление в рабочей области газовой среды составляет порядка 1 – 10 мм.рт.ст. Поэтому такие лазеры можно назвать еще лазерами низкого давления. В результате низкого давления, концентрация активных центров составляет 10¹⁵-10¹⁶ см^-3, что ниже по отношению к твердотельным лазерам или жидкостным. Повышение концентрации активных центров весьма желательно для повышения мощности излучения, высвечиваемого единицей объема активной среды.

Но повышению давления в газоразрядных лазерах препятствуют два обстоятельства. Во-первых, при повышении давления до нескольких десятков мм. рт. ст. самостоятельный разряд оказывается практически непригодным для возбуждения больших объемов газа: разряд становится неустойчивым, идет вдоль стенок, не охватывает внутренней области газоразрядной трубки. Во-вторых, необходимость обеспечения оптимального с точки зрения возбуждения нужных колебательных уровней отношения Е/Р требует соответствующего увеличения напряженности поля Е при повышении давления Р. Это, в свою очередь, приводит к увеличению плотности электронной составляющей плазмы разряда. Переизбыток электронов является отрицательным фактором, так как при этом растет эффективность так называемых «тушащих» столкновений (в частности, столкновений, приводящих к девозбуждению верхних и возбуждению нижних рабочих уровней).

5. Электроионизационный метод накачки со2-лазера высокого давления.

Проблему повышения давления в газовом лазере позволил решить электроионизационный метод накачки. В таком методе самостоятельный электрический разряд вообще не используется. Для получения быстрых электронов, способных возбуждать активные центры, используют ионизирующее излучение в сочетании с внешним электрическим полем. Ионизирующее излучение создает в активной среде свободные электроны, а электрическое поле ускоряет их. Дальнейшие процессы происходят так же, как и в газоразрядных лазерах.

На создания одного свободного электрона затрачивается порядка нескольких десятков электрон-вольт. Эта энергия берется от ионизирующего излучения. Каждый электрон испытывает порядка 10⁵ столкновений с молекулами активной среды, прежде чем рекомбинирует или уйдет из рабочей области. В результате столкновений электрон передает энергию молекулам порядка 10⁴ эВ, то есть, как можно заметить, на три порядка больше, затраченной на создание электрона. Эта энергия появляется в результате воздействия ускоряющего электрического поля. Таким образом, осуществляется достаточное эффективное прямое преобразование энергии электрического поля в энергию когерентного оптического излучения.

Существенным преимуществом такого метода накачки является то, что нетрудно поддерживать оптимальное значение Е/Р при повышении давления, посокльку концентрация свободных электронов теперь не зависит от напряженности поля Е, а определяется интенсивностью излучения. Данный метод накачки позволяет реализовать давление в рабочей области до 100 атм. В связи с этим появился термин лазер на сжатом газе.

На Рис.7. представлена схема СО₂-лазера с электроионизационным методом накачки. На данном рисунке: 1 – рабочий объем, 2 – зеркала резонатора, 3 – ионизирующее излучение, 4 – верхний электрод, 5 – нижний электрод, 6 – металлическая фольга, прозрачная для быстрых электронов, 7 – лазерное излучение. Нужно заметить, что фольга является уязвимым местом для такого лазера, она разделяет вакуумный объем ускорителя и рабочий объем, находящийся под высоким давлением.

Рис. 7. Схема СО₂-лазера с электроионизационным методом накачки

Различием между газоразрядным и электроионизационным методом накачки является то, что теперь быстрые электроны, возбуждающие колебательные степени свободы молекул N₂ и СО₂, образуются теперь не в самостоятельном разряде, а под действием ионизирующего излучения и ускоряющего внешнего электрического поля. То есть функции, ионизации газа и возбуждение активных центров, возложенные на электроны, образовавшиеся в результате самостоятельного разряда, теперь выполняются раздельно – ионизация газа обеспечивается ионизирующим излучением, а электроны обеспечивают лишь возбуждение активных центров. В качестве ионизирующего излучения обычно используют пучок электронов из ускорителя (энергия электронов 100-500 кэВ, плотность тока пучка порядка 10^-4 А/см²).

Увеличение давления газовой смеси, как было сказано выше, приводит к возрастанию мощности лазерного излучения с единицы объема активной среды. На Рис.8 приведен график зависимости мощности лазерного излучения (W) от давления газовой смеси (Р). Экспериментальные точки А относятся к газоразрядному СО₂-лазеру, а точки Б – к электроионизацонному СО₂-лазеру. По сравнению с первым мощность лазерного излучения с единицы объема возрастает в 10⁶ раз.

Рис. 8. График зависимости W(P).

Существуют так же и другие виды СО₂-лазеров, отличающихся по своей структуре или методами накачки. Например, лазеры атмосферного давления с поперечной накачкой или газодинамический лазер, где в первом накачка осуществляется за счет поперечного разряда, а во втором за счет быстрого потока газа разогретого до 1400 К. Мы не будем на них останавливаться, так как физика процессов остается та же.