СО2-лазер - газовый лазер, к-рый генерирует и усиливает эл--магн. излучение на переходах между колебат.
уровнями осн. электронного состояния молекулы двуокиси углерода. Генерация получена
на большом числе (неск. тысяч) колебательно-вращат. переходов в ср. ИК-диапазоне
(рис. 1). Мощность генерации в непрерывном режиме достигает сотен кВт, энергия
излучения в импульсном режиме- десятков кДж, кпд генерации - до 15-20%.
Рис. 1. Огибающие интенсивностей колебательно-вращательных
переходов основных полос для изотопов CO2.
СО2-л. широко применяются в таких областях, как технология обработки материалов, лазерный УТС, научные исследования,
селективная лазерная химия, лазерная термохимия и разделение изотопов, исследование
окружающей среды, локация, связь и др.
Впервые генерация на молекулах CO2
получена К. Пате-лом (С. К. N. Patel) в 1964 путём смешения углекислого газа
с потоком молекул N2, возбуждённых в газовом разряде.
Молекула CO2 линейна и в изотопических
модификациях с одинаковыми атомами кислорода симметрична. В осн. электронном
состоянии при l=0 у колебат. состояний, симметричных по
отношению к перестановке атомов кислорода, вращат. квантовые числа J чётные,
у антисимметричных состояний - нечётные.
Рис. 2. Схема нескольких нижних колебательных
уровней основной изотопической модификации
(12C16O2) молекулы CO2.
Стрелками обозначены некоторые лазерные переходы;
наиболее сильные из них -с уровня 0001 на уровни 1000
и 0200.
Энергии некоторых лазерных колебательных уровней
12C 16O и Длины
волн l переходов между ними
* Генерация была получена также на всех полосах
секвенции 00°u100u- 1
и 00°u020u- 1
при u<6.
Поэтому в осн. полосах 9,4 мкм и 10,4 мкм (см.
табл. и рис. 2) и соответствующих полосах секвенции (00°u100u-
1,020u-
1) существуют только переходы P- и R-ветви (JJ-1)
и (JJ+1),
J- вращательное квантовое число ниж. уровня перехода (см. Молекулярные
спектры). [В обозначениях уровней квантовые числа u1ul2u3
соответствуют числам квантов симметричного, деформационного и антисимметричного
типов колебаний молекул (мод); число l связано с вырождением деформационной
моды и определяет величину момента импульса колебательного движения, направленного
вдоль оси молекулы.] При |l|0
ограничений по чётности J нет, причём J>= 1, в колебательно-вращат.
спектре присутствуют также переходы Q-ветви JJ ["горячие" полосы (01111310,
1110), длинноволновые переходы]. Если атомы кислорода в молекуле
относятся к разным изотопическим модификациям, то также нет ограничений по чёт-ности
J и в колебательно-вращат. спектре присутствуют переходы всех трёх ветвей
независимо от величины l.
Принцип действия СО2-л. можно объяснить с помощью известной в квантовой электронике 4-уровневой схемы с учётом особенностей кинетики колебат. уровней молекул. Ниж. уровни колебат. мод в первом приближении можно рассматривать как расположенные эквидистантно по энергии состояния гармонических осцилляторов. При столкновениях одинаковых молекул переходы между уровнями одной моды имеют резонансный характер и происходят с частотой, как правило, значительно превышающей частоты накачки и столкновительной дезактивации. Вследствие этого устанавливается больцмановское распределение населённостей этих уровней, характеризуемое колебат. температурой моды. Термодинамически неравновесный характер состояния молекул проявляется в отличии температур мод друг от друга и от температуры поступательных и вращат. степеней свободы молекул. Процессы преобразования энергии, в ходе к-рых образуется инверсная населённость, происходят между блоками уровней, принадлежащих к отд. модам. Энергии переходов между компонентами мультиплетов с отличающимся на единицу числом квантов деформационной моды не равны кванту этой моды, но различаются не слишком сильно. При темп-pax, характерных для большинства режимов работы СО2-л., распределение населённостей уровней смешанных мод, пренебрегая неэквидистантностью, можно считать больцмановским с общей температурой.
Осн. процессы, определяющие населённости лазерных
уровней молекул CO2, показаны на рис. 3. Уровень 0001
относится к блоку уровней антисимметричной моды, уровни
1000 и 0200 - к блоку уровней смешанных мод.
Лазер работает следующим образом. Источник накачки возбуждает с частотой P04 колебания молекул -накопителей энергии, в качестве к-рых чаще всего используют молекулы азота.
Столкновительная дезактивация колебаний азота
протекает очень медленно. Кванты колебаний N2 и антисимметричной
моды CO2 почти одинаковы. Между N2 и CO2 происходит
быстрый резонансный обмен квантами с частотами W43 и
W34, и энергия возбуждения передаётся антисимметричной
моде, в т. ч. на верх. лазерный уровень. Столкновительная дезактивация этой
моды идёт с частотой W32, при этом энергия переходит
в колебания смешанных мод и частично в тепловую. Под действием излучения между
лазерными уровнями происходят индуцированные переходы с частотой R32. Столкновительная дезактивация смешанных мод происходит с частотой W20,
при этом энергия колебаний переходит в тепловую. Если W20>> W32, то возникает эффект "узкого горла":
колебания молекул азота и антисимметричной моды CO2 возбуждаются
значительно сильнее, чем колебания смешанных мод. Населённости ниж. лазерных
уровней остаются почти не отличающимися от тепловых и оказываются меньшими населённости
верх. лазерного уровня, т. е. возникает инверсная населённость. Накачка СО2-л.
может производиться разл. способами. В общем случае источник накачки может возбуждать
с частотами P03 и P02 антисимметричную и
смешанные моды, а также дезактивировать моды с частотами P20,
Р30 и P40 соответственно.
Вследствие больцмановского распределения населённо-стей
уровней мод инверсная населённость одновременно образуется и на большом числе
переходов, соответствующих полосам секвенции и "горячим" полосам.
Усиление на этих переходах значительно меньше, и для получения генерации на
них в резонатор лазера вносят частотно-селективные потери, посредством к-рых
подавляется генерация на более сильных переходах.
Благодаря большой скорости обмена квантами между
антисимметричной модой и азотом релаксация запасённой в этих модах энергии происходит
совместно. Эфф. время такой релаксации превышает обратную частоту релаксации
антисимметричной моды:
где p-соответствующие парциальные давления.
В смесях CO2 с азотом эффекта "узкого горла" не возникает.
Чтобы обеспечить выполнение условия W20 >> W32, в смесь добавляют компоненты, к-рые ускоряют релаксацию смешанных мод, но
мало влияют на дезактивацию антисимметричной моды. Лучше всего этому требованию
удовлетворяют атомы гелия, к-рые обычно входят в состав лазерных смесей. В нек-рых
случаях с этой целью в состав смеси добавляют водяной пар или водород.
Газоразрядные СО2-л. Наиб.
распространение получила накачка СО2-л. в газовом разряде. Этот способ
накачки отличается высокой эффективностью преобразования электрич. энергии в
энергию колебаний молекул азота и антисимметричной моды CO2, возможностью
регулирования мощности накачки в довольно широких пределах, надёжностью и доступностью
аппаратуры (см. также Газоразрядные лазеры ).Высокая эффективность газоразрядной
накачки обусловлена рядом причин. Сечения возбуждения колебат. уровней азота
электронным ударом велики и имеют резонансный характер. Энергии электронов,
соответствующие максимумам сечений этих процессов, близки к ср. энергии электронов
в тлеющем разряде в лазерных смесях. Сечения возбуждения колебат. уровней CO2
электронным ударом тоже велики, их максимумы находятся в припоро-говой области,
где энергия электронов несколько превышает энергию квантов колебаний мод. Учитывая,
что квант колебаний деформационной моды примерно втрое меньше кванта колебаний
азота, осн. доля мощности, в типичных условиях 70-85%, расходуется в разряде
на возбуждение колебаний азота и антисимметричной моды.
Газоразрядные СО2-л. непрерывного
действия. В процессе накачки в активной среде выделяется значит. мощность, что
приводит к повышению её температуры. Величина tэфф
при этом быстро уменьшается. В результате с ростом мощности накачки населённость
верх. лазерного уровня сначала растёт, достигает максимума и затем
уменьшается. Населённость ниж. лазерного уровня
с ростом температуры экспоненциально растёт. Вследствие этого существует оптимальная
плотность мощности накачки, при превышении к-рой инверсная населённость начинает
уменьшаться из-за перегрева газа. При оптимальной плотности мощности накачки
темп-pa составляет 400-500 К. При температуре более 700-800 К инверсная населённость
исчезает. Чтобы не допустить перегрева активной среды, необходимо обеспечить
эфф. теплоотвод. Теплоотвод может производиться за счёт теплопроводности к охлаждаемым
стенкам разрядной трубки либо конвективным способом посредством замены отработавшей
порции газа. По способу теплоотвода различают СО2-л. с диффузионным
и конвективным охлаждением (СО2-ЛДО и СО2-ЛКО).
Типовая схема простейшего СО2-ЛДО
показана на рис. 4. Мощность генерации СО2-ЛДО можно оценить из следующих
соображений. Если W-мощность, h - эл--оп-тич. кпд генерации, L-длина,
R-поперечный размер газоразрядной трубки, DT-допустимый перепад
температуры между центром и стенками трубки, -коэф.
теплопроводности лазерной смеси, то
откуда
. Эл--оптич. кпд включает в себя кпд накачки hн, к-рый показывает,
какая часть электрич. мощности, поступающей в разряд, расходуется на возбуждение
колебаний молекул азота и антисимметричной моды CO2, квантовый кпд
hкв0,41,
равный отношению энергии квантов излучения и накачки, кпд генерации hген
и геометрический коэф. заполнения активного объёма излучением hзап:
h= hнhквhгенhзап.
Величина hзап
при хорошем согла-совании объёмов разряда и мод резонатора может составлять
0,6-0,8, но часто гораздо меньше. При условии, что коэф. прозрачности выходного
зеркала оптич. резонатора выбран оптимальным по мощности генерации,
, где b-приходящаяся на единицу длины величина потерь на полный обход резонатора
за исключением потерь на излучение во внеш. пространство,
- показатель усиления. В целом h достигает 10-15%. Величина погонной мощности
не превышает 50-70 Вт/м. Соответствующая этому ограничению плотность мощности
накачки оказывается примерно на порядок меньше пороговой, при к-рой возможно
развитие неустойчивости разряда. Чтобы увеличить мощность лазера, применяют
длинные трубки (до 10-20 м). Для уменьшения габаритов трубки разделяют на секции
длиной 2-4 м. Мощность СО2-ЛДО обычно не превышает 500-1000 Вт. Для
повышения погонной мощности применяют разряды щелевой или кольцевой геометрии
либо помещают большое число трубок (N)в общий резонатор. В первом случае
погонная мощность может быть увеличена в H/d раз (H-ширина, d-толщина
щели). Во втором случае возможно N-крат-ное увеличение погонной мощности
сборки. Мощность таких лазеров достигает 10 кВт.
Важным в практич. отношении свойством СО2-ЛДО
оказывается возможность длит. эксплуатации без замены газа (т. н. отпаянные
лазеры). Срок службы определяется скоростью взаимодействия продуктов плазмохим.
реакций
Важным в практич. отношении свойством СО2-ЛДО
оказывается возможность длит. эксплуатации без замены газа (т. н. отпаянные
лазеры). Срок службы определяется скоростью взаимодействия продуктов плазмохим.
реакций с конструкционными материалами активного
элемента лазера. Совр. технологии изготовления активных элементов обеспечивают
срок службы30000
ч.
Рис. 5.
Конвективный теплоотвод производят двумя способами:
прокачивают газ вдоль обычных газоразрядных трубок или поперёк разрядного промежутка
(рис. 5). В случае (а) направления оптич. оси резонатора, потока газа
и протекания тока параллельны. В случае (б)эти направления взаимно перпендикулярны.
При продольной прокачке скорость теплоотвода
возрастает по сравнению с теплопроводностью в отношении 1 +tдиф/tконв,
где tдиф
- время диффузии на величину радиуса трубки, tконв
- время пролёта газа через трубку. При интенсификации теплоотвода на порядок
допустимому нагреву газа будет соответствовать плотность мощности накачки, близкая
к порогу неустойчивости разряда в трубке. Погонная мощность генерации в случае
продольной прокачки может быть увеличена до 500-1000 Вт/м. T. к. длина трубок
определяется требуемой интенсификацией теплоотвода, мощность таких лазеров пропорц.
числу трубок и обычно не превышает 2-5 кВт.
В лазерах с поперечной прокачкой происходит преим.
конвективный теплоотвод. Существует много конструкций газоразрядных камер, объем
к-рых может достигать десятков литров. Погонная мощность определяется высотой
и длиной разрядной камеры в направлении потока и макс. плотностью мощности накачки,
при к-рой ещё возможно в данной конструкции камеры поддерживать устойчивый разряд.
Для большинства конструкций эта величина лежит в пределах 2-5 Вт/см3.
Мощность лазеров такого типа составляет 5-20 кВт. На рис. 6 показан общий вид
одного из таких лазеров (ТЛ5М) мощностью
5 кВт. Он разработан в Научно-исследовательском центре по технол. лазерам РАН.
Наиб. высокие энергетич. параметры достигаются при применении газоразрядных
камер, в к-рых разряд поддерживается за счёт внеш. ионизации пучком быстрых
электронов. В этом случае плотность мощности накачки достигает десятков Вт/см3,
мощность излучения - десятков кВт. Независимо от типа газоразрядных СО2-л.
показатель усиления в непрерывном режиме составляет, как правило, 0,5-1 м-1.
Импульсные газоразрядные СО2-л. работают
при повышенном давлении рабочей смеси (обычно атмосферном), но генерация получена
и при давлениях в несколько десятков атмосфер. Разработаны методы, позволяющие
поддерживать устойчивое горение тлеющих разрядов в больших объёмах при повышенном
давлении. Существует множество вариантов методов возбуждения, но все они могут
быть отнесены к одному из двух типов разрядов. В первом из них в объёме разряда
УФ- или рентг. излучением создаётся нач. концентрация электронов порядка 104-108
см-3. Затем прикладывается электрич. поле, достаточное для лавинной
ионизации молекул. Она продолжается до тех пор, пока не будет достигнута концентрация
электронов, при к-рой разряд переходит в стадию квазистационарного горения.
На этой стадии происходит осн. вклад энергии. По своему типу такой разряд относится
к самостоятельным. Второй тип разряда - несамостоятельный. Он протекает при
условии, что пучком электронов с энергией 100-300 кэВ в объёме создаётся и поддерживается
в течение всего импульса накачки концентрация электронов 1011 -1014
см-3. Энергия в разряд вкладывается за счёт внеш. электрич. поля,
не достаточного для ионизации молекул. К преимуществам этого метода относятся
возможности выбора оптимальной величины электрич. поля для колебат. возбуждения
азота и антисимметричной моды, оптимального (по энергии излучения) состава рабочей
смеси и возможность регулировки длительности импульса в широких пределах. Недостатки-сложность
установки в изготовлении и эксплуатации, её высокая стоимость.
На рис. 7 показана одна из удачных схем предионизации
- излучением импульсного разряда вдоль поверхности диэлектрика. В этой схеме
применяют электроды, профиль к-рых подобран
так, чтобы обеспечить однородное электрич. поле в промежутке, и генератор высоковольтных
импульсов с удвоением напряжения, коммутация в к-ром производится разрядниками.
Сбоку от электродов находятся пластинки из плексигласа и стекла. После подачи
напряжения на электроды токи смещения замыкаются через пластинки на электрод
вдоль поверхности стекла. УФ-излучение возникающего при этом поверхностного
разряда создаёт во всём объёме межэлектродного промежутка нач. ионизацию. Схема
позволила получить однородный разряд при расстоянии между электродами до 10
см и уд. энергии излучения 40-60 Дж/л. Столь высокие показатели обычно получают
только в системах с электронным пучком.
Объём разряда в установках с УФ-предионизацией достигает неск. литров, энергия
излучения- неск. сотен джоулей при длительности импульса ок. 1 мкс.
На рис. 8 показано поперечное сечение разрядной
камеры лазера с ионизацией электронным пучком. Её важнейший элемент - импульсный
диод (электронная пушка) - ускоритель электронов.
Катод диода может быть термоэмиссионным, холодным с автоэлектронной эмиссией
или плазменным. Плотности тока быстрых электронов от неск. А/см2
до неск. мА/см2 при длительности импульса от долей мкс до неск. десятков
мкс. Диод отделён от разрядной камеры окном из тонкой титановой фольги. Междуэлектродный
промежуток в установках подобного типа достигает 35 см, объём разряда - сотен
л, энергия импульсов излучения - неск. кДж.
Показатель усиления в импульсных газоразрядных
СО2-л. обычно составляет от 1,5 до 3-4 м-1. Импульсные
СО2-л. успешно работают при давлениях до 10-15 атм. При давлении
более 5-7 атм ударное уширение становится примерно равным интервалу между колебательно-вра-щат.
линиями полос. Это позволяет получить плавную перестройку частоты во всём диапазоне,
показанном на рис. 1. В непрерывном режиме применение трубок диаметром 1-2 мм
(т. н. волноводные лазеры) даёт возможность работать при давлении до 0,2-0,4
атм и существенно расширить диапазон перестройки частоты за счёт ударного уширения
линий.
Газодинамические СО2-л. Накачка
СО2-л. может производиться за счёт тепловой энергии. В этом случае
лазер является тепловой машиной, непосредственно преобразующей теплоту в когерентное
излучение. При нагреве газа возбуждаются поступательные, вращательные и в меньшей
степени - колебательные степени свободы молекул. Если газ резко охладить, то
энергия колебат. степеней свободы может быть на нек-рое время "заморожена".
Для быстрого охлаждения применяют сверхзвуковое истечение газа через сопла.
Лазеры, в к-рых используют такой метод получения инверсной населённости, называют
газодинамическими лазерами (ГДЛ). Время охлаждения т* можно оценить
по высоте критич. сечения сопла h* и скорости звука в нём с*, t*~h*/с*.
Если тэфф>т*, но W20t*>1,
то при истечении энергия колебаний азота и антисимметричной моды CO2
будет "заморожена", а энергия смешанных мод успеет перейти в тепловую.
После расширения в газе в течение нек-рого времени будет существовать инверсная
населённость. Для ускорения релаксации смешанных мод в рабочую смесь ГДЛ добавляют
в небольшом кол-ве водяной пар. Условие образования инверсии в ГДЛ накладывает
жёсткие ограничения на размер сверхзвуковых сопел. Они должны быть весьма миниатюрными,
с высотой критич. сечения всего в неск. десятых мм. Чтобы получить значит. расход
газа, применяют решётки из щелевых или конических сопел. Число сопел в решётках
может достигать неск. сотен. Рабочую смесь ГДЛ получают в качестве продуктов
сгорания топлив либо заранее приготовленную смесь нужного состава нагревают
в теплообменниках, электрич. током в плазмотронах, в ядерных реакторах, в концентраторах
солнечной энергии. ГДЛ представляют собой крупные энергетич. установки. Описан
пример реализации ГДЛ с расходом рабочей смеси 14 кг/с и мощностью излучения
до 150 кВт. Вероятно, существуют и более
крупные установки. Первоначально создание ГДЛ мотивировалось в осн. военными
целями, но они могут успешно применяться и в технологиях отраслей тяжёлой промышленности.
На рис. 9 изображён ГДЛ, установленный в одном из цехов Череповецкого металлургич.
комбината. Он разработан в Ин-те высоких температур РАН.
Определённым недостатком ГДЛ является низкий
(<1%) кпд, связанный с неселе.ктивностью тепловой накачки. Оценить мощность
ГДЛ можно из следующих соображений. Учитывая, что рабочая сместь ГДЛ на 98-99%
состоит из CO2 и азота, при температуре нагревателя T0
на единицу массы газа приходится энергия колебаний молекул азота и антисимметричной
моды CO2
где q
= 3380 К-характеристическая темп-pa антисимметричной моды, R - универсальная
газовая постоянная, m-молекулярная масса. Мощность генерации составит
, где hс
- кпд сопла, равный отношению энергии, запасённой в колебаниях молекул азота
и антисимметричной моды CO2 после расширения в сопле, к величине
-массовый расход
газа. Остальные обозначения приведены выше при оценке мощности газоразрядных
лазеров. Величина hс
зависит от высоты критич. сечения сопла, его геометрии и качества изготовления,
состава смеси, T0 и ряда др. факторов и может достигать
0,4-0,5. В оптимальных условиях при T0=1200-1300 К величина
W/
составляет 8-12 кВт/(кг/с). Она очень сильно зависит от T0. Осн. усилия при разработках ГДЛ были направлены на её повышение. Однако
это связано с большими технол. трудностями.
Химические СО2-л. Накачка СО2-л.
может производиться непосредственно за счёт хим. энергии тех реакций, к-рые
протекают с большой скоростью с высоким выходом колебательно возбуждённых молекул.
Примером такой реакции является взаимодействие фтора с водородом или дейтерием.
Фтористый дейтерий быстро обменивается энергией с антисимметричной модой CO2.
При этом образуется инверсная населённость. На рис. 10 показана схема хим. СО2-л.
В камеру сгорания по отд. трубопроводам
подаются реагенты. Закись азота добавляют, чтобы получить активный атомарный
фтор, к-рый затем вступает в реакцию с дейтерием, образуя колебательно возбуждённые
молекулы (см. также Химический лазер ).Известны примеры реализации таких
лазеров (пре-им. для военных целей) с дозвуковыми и сверхзвуковыми скоростями
продуктов реакций.
Ю. Б. Конев. В. H. Очкин.