Электрические методы обработки материалов - Могорян Н.В.
Скачать (прямая ссылка):
активной средой также является плазма дугового разряда, осуществляемого в
атмосфере смеси газов, состоящей из углекислого газа, азота и гелия,
прокачиваемой через разрядную трубку под давлением до 50 атм. Активным
веществом, обеспечивающим генерацию когерентного излучения, является
только углекислый газ, от которого этот тип лазеров получил свое
название.
Молекулы газов в отличие от атомов имеют кроме электронных колебательные
и вращательные энергетические уровни. В частности, молекула СОг имеет три
частоты собственных колебаний, которым соответствуют уровни Еч, ?з и ?4
(рис. 86). Заселение колебательного уровня ?4 и образование инверсного
состояния могут происходить под влиянием следующих процессов,
совершающихся в плазме газового разряда [6]:
- возбуждение молекул СОг при неупругих столкновениях с быстрыми
электронами плазмы;
- резонансная передача энергии возбуждения от молекул азота за счет того,
что уровень Ех молекулы азота (N2) совпадает с уровнем Е4 молекулы СО2;
- каскадные (ступенчатые) переходы на уровень ?4 молекулы С02,
возбужденной на колебательные
140
уровни Е2, Еъ за счет соударений с плазменными электронами меньших
энергий.
Гелий в смеси газов молекулярного лазера на СОг используется для снижения
тепловой заселенности нижних уровней Е% и Ег, куда совершаются
индуцированные переходы с уровня ?4, что также повышает инверсную
заселенность Ец. Это достигается путем снижения температуры рабочей смеси
за счет высокой теплопроводности гелия.
Рабочая область излучения лазеров на С02 находится в далекой инфракрасной
части видимого спектра (?=5-18 мкм). Большое число генерируемых длин волн
объясняется тем, что каждый из колебательных уровней молекулы С02 в
действительности представляет собой целую полосу, состоящую из набора
отдельных подуровней.
Широкое практическое применение нашли непрерывные ультрафиолетовые лазеры
- аргоновый, криптоновый и ксеноновый на ионах инертных газов. Лучшие
промышленные образцы ионных лазеров на аргоне и криптоне с ресурсом
работы от нескольких сотен до нескольких тысяч часов обеспечивают
получение лазерного излучения в ультрафиолетовом диапазоне мощностью до
1-2 Вт. Лазеры возбуждаются в непрерывном сильноточном разряде (плотность
тока до 104 А/см2) при относительно низком давлении газа 0,1 -1,0 мм рт.
ст. [5]. Кроме инертных газов в качестве активных сред в ионных лазерах
используются ионы кадмия, меди, серебра и золота в виде паров при
давлении около 10_3 мм рт. ст. в смеси с избытком инертных газов при
полном давлении 10-20 мм рт. ст. {5].
Газодинамические лазеры - это разновидность молекулярных газовых лазеров,
у которых источником энергии служат колебательно-возбужденные молекулы,
содержащиеся в газе, нагретом до высокой температуры. Усиливающая среда
образуется за счет процессов тепловой релаксации молекул во время течения
газа через сверхзвуковое сопло [7, 8]. Принцип работы газодинамического
лазера (рис. 87) заключается в следующем. Сжигая в специальной камере
сгорания окись углерода с добавкой какого-либо углеводородного топлива,
получают газовую смесь нужного состава, нагретую до температуры 1500-2000
К при достаточно вы-
141
соком давлении (20-25 атм) и движущуюся с дозвуковой скоростью.
Известно, что в самой узкой части сверхзвукового сопла 1 скорость
газового потока быстро возрастает от дозвуковой до сверхзвуковой и вместе
с тем быстро падают температура и давление газа (от 1800 до 280 К и от 25
до 0,07 атм соответственно). При переходе на сверхзвуковую скорость
течения газовой смеси молекулы углекислого газа быстро освобождают
энергетические уровни колебательного возбуждения, которые занимали при
дозвуковом течении. Сразу после освобождения верхний энергетический
уровень заселяется вновь. Энергию для этого молекулы углекислого газа
получают при столкновениях от молекул азота, которые сохранили ее при
истечении через сверхзвуковое сопло. Верхний энергетический уровень при
этом окажется более заселенным, чем нижний, т. е. создается инверсная
населенность уровней. Пропустив такую смесь через оптический резонатор 2,
колебательная энергия молекул углекислого газа превращается в энергию
лазерного излучения.
Активная среда газодинамического лазера представляет собой, как правило,
трехкомпонентную газовую *
смесь. Каждый газ, входящий в состав смеси, играет свою функционально
определенную роль в работе :
лазера.
Первый компонент, концентрация которого в составе смеси наибольшая (80-
90% молекулярного азота), способен длительно сохранять колебательное
возбуждение, полученное на начальном участке течения газа
142
- ' - ' ' А
при высокой температуре газовой смеси. Благодари этому свойству потери
колебательно-возбужденных молекул незначительны за время движения газа oi
камеры сгорания до оптического резонатора.
Второй компонент (5-10% СОг) представляет собой газ с малым временем
колебательной релаксации, колебательный уровень которого почти совпадает
