Файл: Применения лазеров..pdf

высокий к. п. д.; типичные значения к. п. д. лежат в пре­ делах 15—20% б.

Лазерный переход в С02-лазере происходит между ко­ лебательными уровнями 00°1 и 10°0 молекулы углекисло­ го газа. Диаграмма энергетических уровней приведена на фиг. 1. Разность энергий этих уровней соответствует длине

Ф и г . 1. Диаграмма колебательных уровней молекул углекислого газа и азота.

волны излучения 10,6 мкм. Молекулы азота в разряде воз­ буждаются электронами на колебательный уровень V = 1. Поскольку дипольный переход в основное состояние за­ прещен, населенность этого уровня довольно велика.

'^Наиболее высокими значениями к. п. д. (~50% ) обладают СО-лазеры [2*].— Прим. ред.

278 Л. А. Вивер

проточной водой трубка имеет внутренний диаметр 2,5 см и длину 2 м. Постоянное напряжение (около 10 кВ) подво­ дится к электродам и обеспечивает разрядный ток — 100 мА. С обеих сторон к разрядной трубке при помощи гибких сильфонов прикреплены юстируемые зеркала. Одно из зеркал с высоким коэффициентом отражения представляет собой золотое покрытие на полированной подложке из пирекса или нержавеющей стали. Второе зеркало — полу­ прозрачное — предназначено для выхода излучения и име­ ет диэлектрическое покрытие на подложке из германия. Прозрачность этого зеркала составляет 20%. Описанный лазер дает в непрерывном режиме 120—150 Вт на длине волны А = 10,6 мкмпри к. п. д. трубки около 15%. В бо­ лее мощных лазерах обычно используются многосекцион­ ные разрядные трубки с зигзагообразным оптическим резо­ натором. Их мощность на 1 м активной длины достигает 60 Вт. Ниган и Беннет [51] показали, что эта величина является естественным следствием распределения подводи­ мой электрической энергии на возбуждение колебательных уровней, ионизацию и нагрев газа. При типичных условиях разряда для данного лазера ~42% энергии, подводимой к смеси С02—N2, поступает на рабочие колебательные уров­ ни и обеспечивает объемную плотность мощности возбуж­ дения ~0,147 Вт/см3. При квантовой эффективности пе­ рехода 41 % плотность мощности генерации равна 0,06 Вт/см3. Для площади поперечного сечения разрядных трубок 10 см2 погонная мощность генерации не превышает 60 Вт/м. Эта величина является типичной для мощных ла­ зеров и мало зависит от диаметра трубки, хотя в отдельных случаях объемная плотность мощности достигала 0,25 В/см3 [26]. Поэтому лазеры на уровни мощности по­ рядка киловатт представляют собой большие сооружения

иимеют громоздкие системы электропитания, охлаждения

игазообеспечения.

Однако последние достижения в области молекулярных газовых лазеров показывают, что высокие уровни мощности можно получить на достаточно компактных системах. Ис­ пользуя раздельную инжекцию возбужденной высоко­ частотным разрядом смеси N2—Не в прокачиваемый со скоростью 200 м/с углекислый газ на длине волны А = = Ю,6 мкм, можно получить усиление а = 0,0415 см-1

(обычные значения а 0,01 см-1) [25]. Более того, пока­ зано, что усиление в этом лазере с высокой скоростью газо­ вого потока постоянно по сечению и, следовательно, можно использовать большие диаметры потоков без ослабления усиления. Впервые стало очевидным, что увеличение дли­ ны является не единственным средством увеличения мощ­ ности С02-лазера.

Киловаттный С02-лазер с быстрой прокачкой газа опи­ сан в работе [63]. В этом лазере (фиг. 3) оптическая ось

5

резонатора перпендикулярна вектору скорости потока. Электрическая энергия подводится к газовой смеси при помощи внутренних электродов, а излучение на длине волны X = 10,6 мкм выходит через полупрозрачное зеркало. Ско­ рость циркуляции газа в системе составляет ~30 м/с. Теплообменник поддерживает температуру газа близкой к комнатной, а циркуляция газа осуществляется вентиля­

При длине резонатора ~1 м и диаметре луча ~ 4 см объем­ ная плотность мощности генерации составляет 0,9 Вт/см3, т. е. значительно выше, чем в системах с медленной про­ качкой газа. В этой сравнительно небольшой установке была получена мощность генерации 1100 Вт при полном к. п. д. 10%. Еще большие плотности мощности (до 9 Вт/см3) были получены авторами работы [26] при мощнос­ ти 140 Вт и к. п. д. 12% на разрядной трубке длиной 10 см с аксиальным потоком газа. Хилл [40] получил мощность 20 кВт в непрерывном режиме в циркуляционной системе с размерами активной зоны 5,6 X 76 X 100 см3, что яв­ ляется наивысшим достижением для электроразрядных лазеров1).

Тепловое возбужение газа также оказалось эффектив­ ным для получения высокой плотности мощности2). Первые попытки позволили получить весьма небольшие уровни мощности [30], спустя короткое время было сообщено [12] 0 генерации 50 Вт в объеме 5 см X 0,08 см2, что соответ­ ствует плотности 12,5 Вт/см3. Эти результаты были полу­ чены при температуре азота в форкамере 1300 К и давлении 1 атм. Углекислый газ смешивался с неравновесным пото­ ком нагретого азота в сверхзвуковом сопле и при этом воз­ никала инверсия населенности на колебательных уровнях молекулы С02. Оптический резонатор располагался пер­ пендикулярно потоку и обеспечивал генерацию на волне 10,6 мкм. Позже Джерри [32] сообщил о получении мощ­ ности 60 квт в непрерывном режиме на газодинамическом лазере, в котором нагрев газа осуществлялся в камере сго­ рания. Полный к. п. д. этой установки составлял 1 %3).

Таким образом, как электрический, так и тепловой спо­ собы возбуждения в системах с быстрой прокачкой газа