Устройство и работа газостатического лазера
Рассмотрим упрощённую схему газостатического высоковольтного лазера
Рис.
Параметры излучателей газостатических молекулярных лазеров.
Различают следующие типы излучателей:
- излучатели с диффузионным охлаждением (т.е. за счёт теплопроводности и лучеиспускания) с медленной прокачкой газа активной среды или отпаянные;
- излучатели с конвективным охлаждением (т.е. с быстрой прокачкой активной газовой среды).
1) Излучатели однолучевые с (медленной прокачкой газа) диффузионным охлаждением.
Конструкция однолучевого излучателя с диффузионным охлаждением
а)
б)
Рис.
Зеркала З1 и З2 оптического резонатора могут быть внутренними (как показано на рис. ) или внешними.
В первом случае (рис. а) одно из зеркал выполняется металлическим и находится под высоким напряжением.( З1).
Во втором случае (рис. б) окна трубки по торцам расположены под углом Бюстера θβ . При угле θβ лазерное излучение не испытывает потерь на отражение от поверхности окна и излучение является поляризованным.
Прокачка газовой смеси необходима для удаления продуктов диссоциации, в частности молекул СО, которые ухудшают работу лазера. 2СО2→2СО+О2
Тепло, выделяемое при электрическом разряде в активной среде, отводиться за счёт теплопроводности и лучеиспускания к стенкам газоразрядной трубки, которая охлаждается водой.
Давление газа составляет порядка 15 мм.рт.ст, но не более 20÷30 мм.рт.ст. Выходная мощность лазеров с медленной прокачкой составляет 50-500Вт. Т.е. для таких лазеров существует предельная выходная мощность излучения, определяемая условиями охлаждения, т.к. значительная мощность, подводимая к газоразрядному промежутку (≈80%), выделяется в виде тепла и отводится за счёт теплопередачи и лучеиспускания. Средняя напряжённость электрического поля в канале разряда составляет 0,1-0,5 .
Отпаянные лазеры.
Конструкция отпаянного лазера, такая же как лазера с медленной продольной прокачкой, только отсутствует прокачка газа, а трубка заполнена рабочей газовой смесью и запаяна.
Однако, для нормальной работы лазера необходимо обеспечить регенерацию молекул CO2 из молекул СО. Молекулы СО образуются вследствие диссоциации молекул СО2 под действием электрического разряда. 2СО2→2СО+О2.
Они ухудшают работу лазера, вплоть до полного прекращения генерации излучения, через несколько минут после включения лазера.
Для восстановления молекул СО2 применяются два способа:
- Добавление в газовую смесь небольшого количества паров воды (≈1%)
- Применение горячего (300°С) никелевого катода, выполняющего роль катализатора восстановительной реакции.
Отпаянные лазеры имеют такие же параметры, как лазеры с продольной прокачкой.
Как выше отмечено, для лазеров с диффузионным охлаждением существует предельное значение мощности излучения. Увеличение мощности ограничено допустимым перегревом рабочей смеси. , где То – температура смеси на оптической оси, Тст – температура стенок газоразрядной трубки. Газоразрядная трубка обычно имеет радиус RТ не превышающий нескольких см. В этом случае предельную мощность излучения лазера можно оценить с помощью соотношения, полученного в результате решения уравнения теплового баланса
, (2.16)
где - длина активной среды, - теплопроводность газовой смеси, - к.п.д. накачки.
Из приведённой формулы видно, что удельная мощность лазера, снимаемая с единицы длины разрядной трубки не зависит от давления смеси и радиуса трубки. СО2 – лазеры имеют параметры: и . Подставляя в формулу (2.16) характерное для Не значение теплопроводности и обычное для СО2 – лазера можно получить следующие значения предельной удельной мощности, т.е. мощности снимаемой с единицы длины разрядной трубки . Если в смеси отсутствует Не, то теплопроводность уменьшается ≈ в 6 раз. В результате уменьшается до уровня 10÷20
Существует также предельное значение длины газоразрядной трубки. Это значение обусловлено явлением расхождения лазерного пучка с увеличением длины до величины равной радиусу трубки и может быть оценено по формуле:
(2.17)
Для типичных значений получаем . Однако, из-за потерь при отражении излучения от стенок трубок и их торцов длина не превышает 20÷40 м. Таким образом мощность однолучевых СО2 – лазеров не превышает 1кВт. При этом однолучевые излучатели с диффузионным охлаждением и с большой длиной активной среды изготавливают в виде ряда коротких трубок. Излучение проходит последовательно через эти трубки с помощью системы поворотных зеркал. При этом все трубки объединяются в общий резонатор. Схематично излучатель выглядит так:
Однолучевой излучатель свёрнутого типа
Рис.
В связи с указанными недостатками лазеров с диффузионным охлаждением в настоящее время активно разрабатываются и применяются методы улучшения охлаждения активной среды и повышения предельной мощности таких лазеров. Перспективным направлением является применение излучателей щелевой конструкции, которая схематично имеет вид:
Рис.
Это два коаксиальных цилиндра, активная среда и электрический тлеющий разряд располагаются в зазоре (щели) между цилиндрами, lщ и h – длина и ширина щели.
Предельная мощность такого лазера оценивается по формуле:
(2.18)
Например, при т.е. на порядок выше чем в предыдущем случае.
Ещё большее увеличение мощности СО2 – лазеров с диффузионным охлаждением можно достичь применением многолучевых излучателей. Такие излучатели состоят из большого числа газоразрядных трубок с малым поперечным размером, которые помещены в общий резонатор. Малый поперечный размер трубок обеспечивает эффективный теплоотвод. Схематично такая конструкция имеет вид:
Рис.
Предельная мощность такого лазера составит:
(2.19)
где длина трубок, - коэффициент заполнения. Удельная мощность такого лазера:
(2.20)
Например, при dТ = 1 см; Дсб = 10 см; Пз = 0.5; NТ = 50 шт;
Получаем – Рмл/lТ = 2 ÷3 кВт/м
Дата добавления: 2015-08-14; просмотров: 831;