Диффузионный CO2 лазер ВЧЕ-разрядом

Автор: Ilya Chindialov (2:5020/859.43)

Содержание

Введение ..…………………………..…………………......…………. 3

Квантовое описание лазера …………………………………..…….. 4

Получение инверсной заселённости, состав активной среды, температурный
режим, регенератор .....................................…..... 9

Резонатор ...................................………………..……..……............
13

Характеристика газового разряда, ВАХ, потенциальная диаграмма
……………………………………………………………. 17

Заключение ………………………………………………..………….. 25

Список используемой литературы
................................................ 26



Введение

Из всех существующих лазеров (“Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation”) длительного действия наиболее мощными,
продвинутыми в практическом отношении и приспособленными для резки
материалов, сварки металлов, термического упрочнения поверхностей
деталей и ряда других операций являются электроразрядные СО2-лазеры.
Большой интерес к СО2-лазерам объясняется также и тем, что у этого
лазера эффективность преобразования электрической энергии в энергию
лазерного излучения в сочетании с максимально достижимой мощностью или
энергии импульса значительно превосходит аналогичные параметры других
типов лазеров. С помощью их излучения производят необычные химические
реакции, разделяют изотопы. Имеются проекты передачи энергии с помощью
СО2-лазеров с Земли в космос или из космоса на Землю, обсуждаются
вопросы создания реактивного двигателя, использующего излучение лазера.
За 33 года, прошедших со времени создания первого образца (С. Пател,
1964г.) их мощность в непрерывном режиме возросла от милливатта до
многих киловатт. Сейчас выпускаются СО2-лазеры с мощностью до 10 кВт, в
том числе более 50 типов СО2-лазеров с ВЧ-накачкой в диапазоне
мощностей от 3 Вт до 5 кВт. При этом газовые лазеры с ВЧ-возбуждением
обладают целым рядом преимуществ по сравнению с лазерами, в которых для
накачки рабочей среды применяется самостоятельный тлеющий разряд
постоянного тока. В частности, их конструкция и технология изготовления
проще, а надёжность, ресурс работы, удельные характеристики существенно
выше чем у лазеров с накачкой постоянным током. Это позволяет уменьшить
габариты и массу технологических СО2-лазеров мощностью (1 кВт настолько,
что становится возможным размещение такого лазера на подвижном
манипуляторе промышленного робота.

Сегодня известно большое количество различных конструкций газовых
лазеров с ВЧ-возбуждением. Но в основе всего многообразия конструктивных
решений лежит специфика пространственной структуры ВЧЕР, которая в
большинстве случаев удачно совпадает с требованиями, предъявляемыми к
активной среде лазера.

Квантовое описание лазера

. Кванты света, родившиеся в результате спонтанных переходов обладают
одинаковой энергией но никоим образом не связаны между собой.
Направления распространения этих квантов в пространстве равновероятны.
Так как рождение кванта может с равной вероятностью произойти в любой
момент времени, электромагнитные волны, соответствующие этим квантам, не
связаны между собой по фазе и имеют произвольную поляризацию.

квантовой системы из состояния 1 в состояние 2, что соответствует
резонансному поглощению квантов, протекающему по схеме А(1)+h(0(A(2)
(рис.4) возможны переходы по схеме А(2)+h(0(А(1)+2h(0 (рис.5). Данный
процесс индуцирования или вынужденного излучения и служит основой
квантовой электроники.

.

называют коэффициентом активной среды. Интенсивность света будет
усиливается по мере прохождения через среду с К>0. В противном случае
при К<0 будет иметь место ослабление интенсивности изучения. Знак К
определяется знаком выражения (N2*g1-N1*g2), называемого инверсией
среды. Усиление среды положительно только лишь при (N2*g1-N1*g2)>0. В
среде с термическим равновесием, где N1 и N2 подчиняются распределению
Больцмана и где N2 всегда меньше N1, усиление света невозможно. Таким
образом, усиление света может иметь место лишь при отсутствии
термодинамического равновесия между уровнями 2 и 2, т.е. в неравновесной
среде. Среду с N2*g1-N1*g2>0 называют средой с инверсной
населённостью. Наилучшие условия резонансного излучения получаются при
больших скоростях заселения и временах жизни верхнего уровня активных
частиц и малых значениях этих величин для нижнего уровня.

Получение инверсной заселённости, состав активной среды, температурный
режим, регенератор

В лазере на основе СО2 используется четырёхуровневая система получения
инверсной населённости между колебательными уровнями молекул. Молекула
СО2 состоит из атома углерода и двух симметрично расположенных атомов
кислорода, т.е. имеет линейную структуру О-С-О. Как видно из схемы на
рис. 7 атомы кислорода могут совершать симметричные (мода (1ОО) и
несимметричные (асимметричные) (мода (3ОО), а также поперечные этому
направлению так называемые деформационные колебания (мода (2LOO) - из-за
наличия двух взаимно перпендикулярных направлений этот тип колебаний
является дважды вырожденным. Употребляемые для описания состояния
колебательно-возбуждённой молекулы квантовые числа (1, (2L и (3
характеризуют число квантов, соответствующих колебанию данного типа, L
указывает поляризацию деформированного колебания. Лазерный квант
излучается при переходе из состояния 001 в 100 (цифры обозначают
колебательные квантовые числа в модах (1, (2L и (3 соответственно).
Возможен также переход 001(020 с длиной волны (=9.4 мкм, но он обычно
гораздо слабее. Для получения оптимальных условий в рабочую смесь
СО2-лазера помимо углекислого газа добавляют азот и гелий.

. Для поддержания стационарной генерации нижние уровни СО2 необходимо
расселять. Этот процесс обеспечивается добавлением в лазерную смесь
расселяющих компонент, из которых наиболее эффективен гелий. Также
помимо эффективного расселения уровня 100 гелий обеспечивает хороший
теплоотвод от рабочей среды за счёт теплопроводности и оказывает
стабилизирующее действие на заряд, поэтому в подавляющем большинстве
существующих технологических лазеров предпочтение отдаётся ему. Таким
образом, эффективная работа СО2-ляазера требует трёхкомпонентной
лазерной смеси. Определение состава рабочей среды лазера является
сложной оптимизационной задачей, решение которой необходимо проводить в
каждом конкретном случае. Для диффузионного СО2-лазера часто
используется смесь СО2:N2:He в соотношении 1:1:3.



, где рi – парциальные давления компонент смеси.

инверсия достигается при оптимальных температурах смеси Торt. Для смеси
с (г(1,5*10-1 Вт/(м*К), Тстенки(300К зависимость населённости лазерных
уровней от температуры показана на рис. 8. Типичные значения
Тopt(400...500К, Тмах(700...800К.

Под действием электронных ударов и в результате столкновений
возбуждённых молекул в тлеющем разряде в СО2-лазерах происходит
частичная диссоциация углекислого газа СО2 ( СО + О. Отношение
концентраций СО к СО2 может достигать (12%, содержание О2 – 0,8%. Из-за
этого при сохраняющемся энерговкладе возрастают потери на диссоциацию,
возбуждение электронных состояний и возбуждение колебаний СО и О2.
Поэтому населённость верхнего рабочего уровня СО2 падает и коэффициент
усиления уменьшается. Поскольку ресурс работы СО2-лазера, определенный
требованиями экономичности установки, оценивается несколькими сотнями
часов, а существенный рост доли СО и О2 определяется минутами,
необходимо включение в контур регенератора, в котором частично
восстанавливается рабочая смесь. В диффузионном СО2-лазере целесообразно
применение цеолита (SiO4+AlO4) в количестве 20мг, насыщенного парами
H2O.

Резонатор

Резонатор является оптической системой, позволяющей сформировать
стоячую электромагнитную волну и получить высокую интенсивность
излучения, необходимую для эффективного протекания процессов
вынужденного излучения возбуждённых частиц рабочего тела лазера, а
следовательно, когерентного усиления генерируемой волны. Оптические
резонаторы в квантовой электронике не только увеличивают время жизни
кванта в системе и вероятность вынужденных переходов, но и так же, как
резонансные контуры и волноводы определяют спектральные характеристики
излучения.

В длинноволновом диапазоне классической электроники длина волны
излучения существенно больше размеров контура и его спектральные
характеристики определяются сосредоточенными параметрами электрической
цепи. Длинные радиоволны при этом излучаются в пространство практически
изотропно. При сокращении длины волны и переход в СВЧ-диапазону для
формирования электромагнитной волны используются пустотелые объёмные
резонаторы с размерами, сравнимыми с длиной волны. При этом появляется
возможность формирования направленных (анизотропных) распределений
излучения в пространстве с помощью внешних антенн. В ИК и видимом
диапазоне длина волны излучения много меньше размеров резонатора. В этом
случае оптический резонатор определяет не только частоту, но и
пространственные характеристики излучения.

Простейшим типом резонатора является резонатор Фабри-Перо, состоящий из
двух параллельных зеркал, расположенных друг от друга на расстоянии Lp.
В технологических лазерах резонатор Фабри-Перо используется крайне редко
из-за больших дифракционных потерь. Чаще используются резонаторы с одной
или двумя сферическими отражающими поверхностями. Свойства этих
резонаторов зависят от знака и величины радиуса их кривизны R, а также
от Lp и определяются стабильностью существования в нём электромагнитной
волны.

В так называемом устойчивом (стабильном) резонаторе распределение поля
воспроизводится идентично при многократных проходах излучения между
зеркалами и имеет стационарный характер. В результате попеременного
отражения электромагнитных волн от зеркал волна формируется таким
образом, что в приближении геометрической оптики не выходит за пределы
зеркал в поперечном направлении и выводится из устойчивого резонатора
только благодаря частичному пропусканию самих отражающих элементов. В
случае отсутствия потерь, излучение могло бы существовать в устойчивом
резонаторе бесконечно долго. В неустойчивом (нестабильном) резонаторе
световые пучки (или описывающие их электромагнитные волны) в результате
последовательных отражений от зеркал перемещаются в поперечном оси
резонатора направлении к периферии и покидают его.

, где a, L – характерные размеры задачи поперёк пучка и вдоль
направления его распространения. Условие NF>>1 соответствует
применимости геометрического приближения. При NF(1 необходимо учитывать
также волновые свойства электромагнитного излучения.

.

Наибольшее распространение получил среди устойчивых резонаторов
полуконфокальный резонатор, у которого одно зеркало плоское (R2=() а
второе имеет радиус R1=2LP т.е. его фокус лежит на плоском зеркале.
Основное удобство полуконфокального резонатора, определяющее его широкую
распространённость, заключается в возможности использования для вывода
излучения плоских окон из частично прозрачных материалов а также в
параллельности выходящего пучка. В случае использования металлических
зеркал излучение можно выводить через одно из них или систему отверстий.

Устойчивый резонатор сравнительно прост в эксплуатации. Он легко
юстируется, достаточно устойчив по отношению в разъюстировке. Его
сферические зеркала сравнительно просто поддаются изготовлению и
контролю радиуса кривизны. Поэтому они находят широкое применение в
лазерной технике, особенно в технике маломощных (( 1 кВт) лазеров. К
числу недостатков устойчивых резонаторов следует отнести несовпадение
объёма каустики с объёмом активной среды, что приводит к уменьшению КПД
и увеличению размеров лазера, а также повышенные значения плотности
мощности при перетяжке, что в случае её малых размеров может привести к
оптическому пробою. Однако самым серьёзным недостатком устойчивых
резонаторов является невысокая лучевая стойкость используемых в качестве
выходных окон диэлектрических оптических материалов. Именно это
обстоятельство ограничивает использование устойчивых резонаторов при
больших плотностях излучения.

. В отличие от устойчивого резонатора прозрачность неустойчивого
резонатора определяется не пропусканием излучения выходным зеркалом, а
геометрическими размерами системы. Из-за геометрического расширения
излучения его интенсивность падает на одном проходе в М2 раз. Однако в
стационарных условиях при малых внутрирезонансных потерях усиление
излучения на одном проходе также составит М2. Таким образом, весь
неустойчивый резонатор заполнен излучением с практически равной
интенсивностью, что в отличие от устойчивых резонаторов обеспечивает
полное и равномерное использование всей активной среды. Если добавить к
этому высокую лучевую стойкость металлических зеркал, то преимущество
неустойчивых резонаторов для мощных лазерных систем становится
очевидным.

Характеристика газового разряда, ВАХ, потенциальная диаграмма

dD(0,05см << L. Поэтому в большей части разрядного промежутка плазма
электронейтральна. Однако около границ плоского промежутка электронный
газ, совершая качания относительно “неподвижных” ионов, периодически
обнажает положительные заряды. Это является первопричиной появления
приэлектродных слоёв пространственного разряда.

неподвижны и однородно распределены по длине промежутка, а диффузионное
движение электронов отсутствует. На самом деле диффузия размывает
границы между плазмой и ионными слоями. На рис. 11 построены
соответствующие рис.10 распределения поля и потенциала в те же моменты
времени через каждые четверть периода. Поле Е в однородной
электронейтральной части промежутка постоянно по его длине. Потенциал
для определённости отсчитывается от левого электрода. Можно себе
представить, что он заземлён, а переменное напряжение подаётся на
правый. Значение и направление электрического тока, можно считать,
характеризуется напряженностью поля Е в плазме, так как чаще всего в
самой плазме ток проводимости преобладает над током смещения.

Экспериментально установлено, что ВЧЕР горят в одной из двух сильно
различающихся форм. Внешне они отличаются характером распределения
интенсивности свечения по длине промежутка, по существу – процессами в
приэлектродных слоях и механизмами замыкания тока на электроды. При
сильноточном разряде возникает диффузионное свечение в середине
промежутка, а около электродов газ не светится. Напряжение на электродах
меняется очень мало, что указывает на слабую проводимость
ионизированного газа и малый разрядный ток. В слаботочном разряде
сильное свечение локализуется у электродов и состоит из чередующихся
слоёв, по цвету и порядку следования очень похожих на слои в катодной
области тлеющего разряда постоянного тока. Напряжение на электродах
после зажигания заметно падает, что говорит о значительной проводимости
разряда. Эти особенности истолковываются так: в разряде со слабой
проводимостью ток в приэлектродной области имеет преимущественно
ёмкостной характер и является током смещения, как и до зажигания.
Зажигание разряда, следовательно, не отражается на поведение электрода,
который по-прежнему зарядов не испускает и не воспринимает. В хорошо
проводящем сильноточном разряде на отрицательный в данный момент
электрод идёт ионный ток, там происходит вторичная электронная эмиссия,
и на какое-то время до смены полярности около “катода” возникает
катодный слой, как в тлеющем разряде. На электроды, которые попеременно
служат катодами, ток из середины промежутка замыкается теперь токами
проводимости. Слаботочный разряд ещё называют (-разряд, а сильноточный
(-разряд, что символизирует роль вторичной эмиссии((-процессов). При
повышении давления горящий (-разряд внезапно переходит в (-форму,
происходит как бы вторичное зажигание. Факт существования двух форм
ВЧЕР, их свойства, закономерности перехода из одной формы в другую при
давлении 10-100 торр подверглись детальному исследованию. Было
экспериментально доказано что приэлектродные слои в (-разряде обладают
высокой проводимостью.

Толщины их в нормальном режиме d(0,2-0,6 см. С точностью до небольшого
тока насыщения ток замыкается на электрод током смещения. При достижении
на электродах достаточно большого напряжения происходит резкая
перестройка (-разряда, превращение его в сильноточную (-форму. На ВАХ
ему соответствует скачок или излом (рис. 13). ВАХ построена при давлении
20 торр, частоте возбуждения 13,6 МГц. Излом говорит о “вторичном”
зажигании разряда, перераспределяется свечение в промежутке, около
каждого электрода появляются слои, похожие на слои тлеющего разряда.
Постоянный потенциал пространства U0 в сильноточном режиме составляет
(150-250В, толщина приэлектродного слоя пространственного заряда
становится меньше на порядок.

критического (pL)кр. Это зависит от электродов и свойства газа. При
pL((pL)кр слаботочный разряд становится неустойчивым и либо переходит в
сильноточную форму либо гаснет. При pL>(pL)кр зажечь его вообще не
удаётся и реализуется только сильноточный режим. При pL<(pL)кр возможно
существование и того и другого режима. Примерная зависимость предельных
параметров существования слаботочного режима горения показана на рис.14.


. Согласно этой формуле для получения приемлемой с точки зрения
возбуждения рабочей среды СО2-лазера, концентрации электронов в
плазменном столбе слаботочного ВЧЕ-разряда, частота f должна быть
выбрана достаточно высокой. Обычно при накачке СО2-лазеров с
диффузионным охлаждением пренебрегают промышленной частотой и выбирают f
в диапазоне 30(200 МГц. Получено, как того и следовало ожидать в
соответствии с представлениями об особенностях структуры слаботочного
ВЧЕР, что наиболее приемлемые частоты возбуждения находятся в интервале
80(150 МГц. В этих случаях в активную следу СО2-лазера можно вложить
удельную электрическую мощность (100 Вт/см3 и более при межэлектродных
зазорах 1,5(3 мм. Немаловажное значение, требующее перехода в высоким
частотам возбуждения, имеет и тот факт, что толщина приэлектродных слоёв
dсл(f) с увеличением частоты уменьшается с зависимостью dсл(Vдр/(2*(*f),
где Vдр – скорость дрейфа электронов в плазменном столбе, граничащим с
приэлектродным слоем.

Таким образом, основанием для перехода к высоким частотам возбуждения
СО2-лазеров и диффузионным охлаждением являются следующие две
особенности слаботочного режима горения ВЧЕР.

Концентрация заряженных частиц увеличивается с ростом f и достигает
необходимых значений при частотах f>50 МГц.

Толщина приэлектродных слоёв пространственного заряда dсл в диапазоне
частот f>50 МГц составляет доли мм, что позволяет заполнить плазмой
малые межэлектродные зазоры d(1,5(3 мм.

Заключение

Представленные в работе данные о диффузионном СО2-лазере с
высокочастотным возбуждением показывают многие преимущества такого типа
возбуждения активной среды по сравнению с возбуждением разрядами
постоянного и переменного тока. ВЧЕ-разряд устойчивее разряда
постоянного тока, в нём достижим существенно больший энерговклад.
Балластным сопротивлениям, которые всегда оказывают благотворное
действие на стабильность разряда, можно придать ёмкостный (реактивный)
характер, что избавляет от бесполезных потерь энергии, которые о обычных
омических балластниках составляют примерно 30% подводимой электрической
мощности. Существенное преимущество ВЧЕР - это возможность избавиться от
катодных слоёв, свойственных разрядам и постоянного и переменного тока.
В катодных слоях бесполезно теряется часть энергии, кроме того, в них
обычно рождаются возмущения, от которых развивается неустойчивости. Эти
преимущества обеспечивает только слаботочная форма ВЧЕ-разряда. Поэтому
для СО2-лазера необходим именно слаботочный режим, в котором получены
рекордные мощности излучения: (0,83 Вт/см. Недостаток этого режима –
ограничение на плотность тока, длину промежутка и давление. Над
улучшением данных характеристик ведётся работа. Также большим
преимуществом является удобство работы с длинными трубками, низкие
рабочие напряжения, высокая устойчивость и однородность. Дальнейший
прогресс в области диффузионных СО2-лазеров с ВЧ-накачкой связан с
исследованием условий протекания тока на границах плазмы ВЧ-разряда с
электродами, а также решением проблем, связанных с волноводным режимом
работы резонатора, увеличение скорости теплоотвода на стенки разрядной
трубки.

Список литературы

В.С. Голубев, Ф.В. Лебедев “Физические основы создания технологических
лазеров”

В.С. Голубев, Ф.В. Лебедев “Инженерные основы создания технологических
лазеров”

Ю.П. Райзер “Физика газового разряда”

А.А. Веденов “Физика электроразрядных СО2-лазеров”

Н.А. Яценко “Газовые лазеры с высокочастотным возбуждением”

Н.А. Яценко “Влияние частоты накачки на параметры газовых лазеров с
высокочастотным возбуждением”

Ю.С. Протасов, С.Н. Чувашев “Физическая электроника газоразрядных
устройств”

В. Виттеман “СО2-лазер”

-

h(0

Рис. 1

1

2

1

0,5

qG

qL

qL, qG

-1

-0,5

0

0,5

1

((=((D=((L

((-(0)/((

Рис. 6

B

Рис. 2

1

2

(U

Рис. 3

1

2

h(0

Рис. 4

1

2

h(0

Рис. 5

1

2

h(0

h(0

300

400

500

600

700

800

0

5

10

20

1

10

21

1.5

10

21

Тmax

Температура, К

N

001

(

)

T

N

100

(

)

T

Рис. 8

Тopt

e

100

020

010

001

(=1

10,6 мкм мкм

(1

000

N2

CO2

E, см-1

(2

(3

Рис. 7

2(0

Lp

L1

L2

2(2

2(1

R1

R2

Рис. 9

(t=0

+

+

x

ne, ni

ne, ni

x

ne, ni

+

(t=(/2

x

+

+

(t=(

(t=3(/2

ne, ni

x

+

Рис. 10

E

(t=0

j

x

x

(

(

x

x

j=0

(t=(/2

E

(

x

x

j

(t=(

E

(

x

x

j=0

(t=3(/2

E

Рис. 11

I, A

300

200

1

2

3

0

U, B

400

Рис. 13

J

x, cm

2

0

(-разряд

(-разряд

Рис. 12

L, см

Р, торр

Рис. 14

6

2

0

20

40

4