Потужні молекулярні лазери і їх застосування

       Молекули  вуглекислого газу в умовах розряду  в значній мірі диссоціюють, від  них відщеплюється атом кисню. Щоб не допустити значного зменшення їх концентрації, по-перше СО₂-лазерах суміш газів безперервно прокачувалася з невеликою швидкістю через трубку. На зміну молекулам, що розпалися, поступали нові. Проте потім технологія виготовлення лазерних трубок була змінена так, щоб вуглекислий газ відновлювався хімічним шляхом. Тепер СО₂-лазери низького тиску стійко працюють протягом декількох сотень і навіть тисяч годинників без зміни робочого газу і є надійним і компактним джерелом випромінювання значної потужності, що не вимагає громіздких і складних систем газопостачання.

       Збільшення  погонної потужності (з одиниці довжини  лазерного середовища) понад величину 70 Вт/м при використанні тліючого розряду в довгих циліндрових  трубах виявилося неможливим. Причина цього полягає в особливостях відведення теплової енергії за допомогою механізму теплопровідності. Лазерне середовище перегрівається при спробах збільшити потужність. Розберемося в цьому докладніше.

       Збільшити потужність з 1 м активного середовища можна підвищенням швидкості накачування в 1 см³ середовища або збільшенням її поперечних розмірів. Як ми вже говорили вище, накачування веде до нагріву активного середовища — та енергія, яка не використовується для випромінювання, кінець кінцем переходить в теплову. Швидкість відведення останнього з 1 см³ середовища складає

       Тут q — щільність, Ср — питома теплоємність газу при постійному тиску ∆T — середнє підвищення температури усередині газу над температурою навколишнього середовища, t — час, протягом якого теплова енергія Q, що виділяється в 1 см³, віддаляється з активного середовища. Цей час визначається характером процесу перенесення тепла.

        У разі теплопередачі  за допомогою теплопровідності —  середній час, за який молекули з внутрішніх областей досягають степок труби в процесі ненапрямленого випадкового руху. При дифузії кожна молекула проходить за час t повний шлях υ_Тt із швидкістю теплового руху Vt в середньому не переміщаючись ні в якому певному напрямі. За проміжок часу між зіткненнями молекула проходить шлях, рівний довжині вільного пробігу λ. Протягом часу t вона стикається υ_Tt/λ разів з іншими молекулами. Випадковий характер дифузійного руху виявляється в тому, що в середньому молекула виявляється на такому відстаней г від точки початку свого руху, що  Щоб досягти стінки труби, молекулам потрібно подолати, таким чином, відстань, рівна поперечному розміру d активного середовища. На це вони витрачають час                           Тоді знаходимо, що                           

                                                                                                             (2)                             

       Хай швидкість накачування настільки  велика, що ∆T — максирисьно допустиме підвищення температури активного середовища. Остання формула показує, що не можна збільшити швидкість тепловідводу за рахунок збільшення щільності газу. Довжина вільного пробігу убуває обернено пропорційно до щільності, і величина дл від щільності не залежить. Отже, не можна підвищити потужність за рахунок збільшення щільності газу. При зміні поперечного розміру активного середовища потужність тепловідводу з 1 м довжини активного середовища пропорційна qd². Ця величина згідно тій же формулі не залежить від поперечного розміру. Тому щоб уникнути перегріву при збільшенні d необхідно відповідно знижувати швидкість накачування. Цим пояснюється, чому за оптирисьних умов погонна потужність СО₂-лазеров, що порушуються тліючим розрядом в довгих трубах, не залежить від тиску (щільність) газу і діаметру труб.

       Положення радикально міняється при використанні для тепловідводу вимушеної конвекції газу. Швидкість відведення теплової енергії в цьому випадку складає                    

                                                                                                                                            (3)

       де  υ — швидкість потоку газу, d — розмір активного середовища уздовж потоку. Порівняння формул (2) і (3) показує, що швидкість тепловідводу при конвекції в dυ/λυ_T разів вище, ніж при теплопровідності. Відповідно в стільки ж раз вище може бути потужність лазера. Швидкість теплового руху υ_T трохи відрізняється від швидкості звуку в газі. Використовуючи швидкісні дозвукові і надзвукові потоки газу, можна збільшити погонну потужність в декілька тисяч разів, оскільки довжина вільного пробігу в робочих умовах складає 0,001 см і менше. Крім того, можливе підвищення щільності газу — швидкість конвективного тепловідводу зростає пропорційно щільність. Швидкість тепловідводу убуває тільки із зростанням розміру середовища уздовж потоку, на розміри упоперек потоку ніяких обмежень не немає. У быстропроточных лазерах об'єм активного середовища збільшують саме за рахунок поперечних розмірів. Це, природно, веде до такої конструкції лазера, коли підсилюваний промінь або оптична вісь резонатора направлені упоперек потоку газу. Вперше описаний в науковому друці конвективний СО₂-лазер з поперечно-променевою геометрією був компактним пристроєм розміром з письмовий стіл. Довжина його складала 1м, діаметр світивши 3,5 см. Лазер був забезпечений теплообмінником і працював в режимі замкнутого циклу з багатократним використанням газу.  

       Його  вихідна потужність досягала 1 кВт  при швидкості потоку 30 м/с. Вже  цей приклад показує, наскільки  значно підвищення потужності при переході до конвективного тепловідводу.

       Теплова потужність, переносима потоком газу, а отже, і потужність, що випромінюється молекулами, пропорційні масовій витраті газу. До теперішнього часу газорозрядні быстропроточные Со2-лазери випромінюють в безперервному режимі потужність 50—70 кВт на 1 кг/с витрати газу. Використовується декілька основних схем роботи лазерів, що відрізняються складом газу в електричному розряді і взаєморозташуванням розряду, напряму руху газу і променя лазера.

       У лазері (рис. 3) змішувача азот і гелій прокачуються через розряд. Струм розряду тече паралельно потоку газу. Молекули, що вилітають з розрядної камери, швидко змішуються з незбудженим вуглекислим газом і поступають в оптичний резонатор. Там молекули вуглекислого газу випромінюють енергію, накопичену азотом в розряді, і відпрацьована суміш вилітає з резонатора. У лазерах такого типу досить просто забезпечується коаксіальна геометрія розряду і висока селективність збудження азоту в тліючому розряді. Можливо і протікання струму розряду в напрямі, перпендикулярному потоку. Недоліком таких лазерів є значна неоднорідність розподілу збуджених молекул в об'ємі резонатора, що виникає під дією індукованих переходів і в процесі перемішування, і великі труднощі в реалізації роботи але замкнутому циклу, пов'язані з необхідністю хімічного видалення молекул вуглекислого газу з відпрацьованої суміші.

       У лазерах, представлених схематично на рис. 4 і 5, в розряді збуджується заздалегідь приготована робоча суміш газів.

       У першому випадку струм розряду  тече паралельно потоку газу, в другому — перпендикулярно потоку. У обох випадках можлива робота по замкнутому циклу. Проте конструктивно однорідний розряд вдається здійснити лише за умови, що один з його розмірів в напрямі, перпендикулярному потоку газу і лазерному променю, не перевищує декількох сантиметрів. Лазери такого типу мають активну зону у вигляді прямокутника, сильно витягнутого по потоку. У режимі генерації використовувати активну область такої геометрії дуже важко. Ці лазери переважно використовувати спільно із задаючим генератором як багатопрохідний підсилювач потужності. Тоді активна область заповнюється практично повністю випромінюванням.

       На  рис. 6 показана блок-схема пристрою газорозрядного лазера замкнутого циклу. Відпрацьований газ поступає в теплообмінник, де відводиться енергія, не використана в процесі генерації. У електричному розряді молекули вуглекислого газу частково диссоціюють. Активні молекули, що утворюються хімічно, вступають у вторинні реакції. Склад газу в процесі роботи лазера може сильно змінитися, а вихідна потужність внаслідок цього — значно знизитися. Щоб відновити хімічний склад газу, його пропускають через спеціально підібрані каталізатори. Крім того, в процесі роботи може бути використана часткова зміна циркулюючого газу.

       По  наявних повідомленнях, за кордоном побудовані газорозрядні лазери для технологічних застосувань, що працюють з використанням замкнутого циклу і здатні протягом декількох годинників випромінювати потужність, що перевищує 25 кВт.

       Імпульсні СО₂ -лазери

       Молекули  СО₂ в лазерній суміші зберігають енергію збудження в антисиметричному типі коливань досить тривалий час, яке визначається складом суміші і тиском газу. Цей час називається часом релаксації. У типових умовах при тиску 100 тор час релаксації складає 10^-4 з і змінюється обернено пропорційно до тиску. Енергія, яка підводиться протягом проміжку часу, коротшого, ніж час релаксації, накопичується у вигляді енергії збудження молекул. Якщо помістити такі молекули, що накопичили енергію, в оптичний резонатор, вони випромінюють її за дуже короткий час, визначуваний тим, як довго фотон залишається в резонаторі, і як швидко молекули дістають можливість випромінювати в нім свою енергію. Тоді потужність випромінювання перевищує потужність накачування в і співвідношенні часу релаксації і тривалості спалаху світла.

       Практично для реалізації такого режиму молекули порушують безпосередньо в резонаторі, втрати світлової енергії якого  великі, і поріг самозбудження  не досягається. Потім швидко зменшують  втрати, наприклад, поворотом одного з дзеркал. Коли дзеркала стають майже паралельними, втрати різко зменшуються, і лазер випромінює світловий спалах. Такий режим роботи, званий модуляцією добротності резонатора, дозволяє створити ефективні СО₂-лазери імпульсної дії за рахунок великого часу релаксації молекул СО₂ в тліючому розряді. Пікова потужність випромінювання при цьому підвищується в 100—1000 разів і досягає декількох десятків кіловат. Проте енергія таких спалахів невелика. Щоб підвищити енергію імпульсу випромінювання, необхідно збільшувати тиск робочого газу — тільки в цьому випадку зростає число випромінюючих молекул.

       Розвиток  імпульсних СО₂-лазерів відбувався саме по шляху підвищення тиску до атмосферного і вище. Техніка модуляції добротності при такому тиску виявляється рисоефективною — стійкий об'ємний розряд при високому тиску можна отримати лише у разі коротких імпульсів струму, коли випромінювання накопиченої енергії відбувається вже після закінчення імпульсу струму. Основне завдання при створенні імпульсних СО₂-лазерів високого тиску полягає в тому, щоб забезпечити однорідний газовий розряд у всьому розрядному проміжку, де знаходяться збуджені молекули, і не допустити його переходу в іскристій, коли майже вся енергія виділяється в іскровому каналі абсолютно марно для роботи лазера.

       Для вирішення цього завдання було необхідне глибоке вивчення фізики газового розряду, тих явищ, які порушують стійкість тліючого розряду. При підвищенні тиску робочої суміші до величини приблизно 150 тор добре відомий стійкий об'ємний тліючий розряд приймає форму окремих ниток з великою щільністю струму і переходить в дуговій. Для отримання дифузних об'ємних розрядів при підвищеному тиску було запропоновано декілька способів, які ми далі розглянемо.

       Напруженість  електричного поля, необхідна для  протікання імпульсного розряду при атмосферному тиску, досить велика і перевищує 15—20 кВ/см.

        Довжина розрядних  проміжків при такій напруженості поля не може бути великою, і у всіх лазерах, що працюють при підвищеному  тиску, використовується поперечний розряд, коли підсилюваний промінь і напрям струму взаємно перпендикулярні. У найпростішій (принципово) схемі розрядом є сукупність багатьох незалежних розрядів, що запалюються між великою кількістю острийных катодів, відокремлених від джерела живлення баластними опорами, і загальним анодом, як це показано на рис. 7. Розряд займає вузькі конічні області, вершина кожною з яких знаходиться на вістря катода. При подачі короткого високовольтного імпульсу газ збуджується в об'ємі цих конусних областей, що перекриваються. Струм кожного з розрядів обмежений баластним опором, і протягом імпульсу іскровий розряд не встигає розвинутися. Збудження молекул в такому розряді в сильному ступені неоднорідного. Удосконаленням цієї схеми з'явилося розташування анода і катодів уздовж гвинтових ліній з однаковим кроком по поверхні циліндрової трубки. При такій схемі збудження в центральній, частини циліндра значно однорідніше, ніж по периферії. Посилення в приосевой області циліндра максирисьно і різко зменшується поза тією областю, де розряди перекриваються. Лазер такого типу дуже зручно використовувати як задаючий генератор для підсилювача потужності, оскільки його геометрія дуже добре відповідає умовам отримання високонаправленого випромінювання. Проте порушувати великий об'єм газу в такій геометрії не можна, в цьому її головний недолік.