Система накачування

Для створення інверсної населеності середовища лазера використовуються різні механізми. У твердотільних лазерах вона здійснюється за рахунок опромінення потужними газорозрядними лампами-спалахами, сфокусованим сонячним випромінюванням (так звана оптична накачування) і випромінюванням інших лазерів (зокрема, напівпровідникових).При цьому можлива робота тільки в імпульсному режимі, оскільки потрібні дуже великі густини енергії накачування, що викликають при тривалому впливі сильний розігрів і руйнування стрижня робочої речовини. У газових і рідинних лазерах (див. гелій-неоновий лазер, лазер на барвниках) використовується накачування електричним розрядом. Такі лазери працюють в безперервному режимі. Накачування хімічних лазерів відбувається за допомогою протікання в їх активному середовищі хімічних реакцій. При цьому інверсія населенностей виникає або безпосередньо у продуктів реакції, або у спеціально запроваджених домішок з відповідною структурою енергетичних рівнів. Накачування напівпровідникових лазерів відбувається під дією сильного прямого струму через p-n перехід, а також пучком електронів. Існують і інші методи накачування (газодинамічні, які полягають у різкому охолодженні попередньо нагрітих газів; фотодисоціація, окремий випадок хімічної накачування і ін).

На малюнку: а - трирівнева і б - чотирирівнева схеми накачування активного середовища лазера.

Класична трирівнева система накачування робочого середовища використовується, наприклад, в рубіновому лазері. Рубін являє собою кристал корунду Al2O3, легований невеликою кількістю іонів хрому Cr3 +, які і є джерелом лазерного випромінювання. Через вплив електричного поля кристалічної решітки корунду зовнішній енергетичний рівень хрому E2 розщеплений (див. ефект Штарка). Саме це робить можливим використання немонохроматичного випромінювання в якості накачки.При цьому атом переходить з основного стану з енергією E0 у збуджений з енергією близько E2. У цьому стані атом може перебувати порівняно недовго (порядку 10-8 с), майже відразу відбувається безвипромінювальний перехід на рівень E1, на якому атом може знаходитися значно довше (до 10-3 с), це так званий метастабільний рівень. Виникає можливість здійснення індукованого випромінювання під впливом інших випадкових фотонів. Як тільки атомів, що знаходяться в метастабільному стані стає більше, ніж в основному, починається процес генерації.

Слід зазначити, що створити інверсію населенностей атомів хрому Cr за допомогою накачування безпосередньо з рівня E0 на рівень E1 можна. Це пов'язано з тим, що якщо поглинання і вимушене випромінювання відбуваються між двома рівнями, то обидва ці процеси протікають з однаковою швидкістю. Тому в даному випадку накачка може лише зрівняти населеності двох рівнів, чого недостатньо для виникнення генерації.

У деяких лазерах, наприклад в неодимовому, генерація випромінювання в якому відбувається на іонах неодиму Nd3 +, використовується чотирирівнева схема накачки. Тут між метастабільним E2 і основним рівнем E0 мається проміжний - робочий рівень E1. Вимушене випромінювання відбувається при переході атома між рівнями E2 і E1. Перевага цієї схеми полягає в тому, що в даному випадку легко виконати умову інверсної населеності, так як час життя верхнього робочого рівня (E2) на кілька порядків більше часу життя нижнього рівня (E1). Це значно знижує вимоги до джерела накачування. Крім того, подібна схема дозволяє створювати потужні лазери, що працюють в безперервному режимі, що дуже важливо для деяких застосувань. Однак подібні лазери володіють істотним недоліком у вигляді низького квантового ККД, яке визначається як відношення енергії випроміненого фотона до енергії поглинутого фотона накачування.

1.4 Використання та сутність СО-лазерів(лазерів на монооксиді вуглецю)

Лазери на монооксиді вуглецю вимагають додаткового охолодження, проте мають велику потужність - до 500 кВт.

Використання: винахід відноситься до пристроїв зі стимульованим випромінюванням.

Сутність: газорозрядний СО-лазер високого тиску з дозвуковим потоком робочого газу містить теплообмінник, розрядну камеру з різнополярними електродами, підключеними до високовольтного генератора, і резонатор, встановлений на виході розрядної камери, в якості електродів використана система провідників, кожен з яких розміщений всередині капілярної діелектричної трубки. Зазор між капілярними трубками менше їх діаметра. Осі трубок перпендикулярні вектору потоку робочого газу. Теплообмінник суміщений з капілярними трубками шляхом з'єднання їх порожнини з джерелом хладагента, в якості провідника може бути застосоване проводить покриття на внутрішній поверхні трубки. Технічним результатом винаходу є збільшення ККД лазера і досягнення зсуву енергії в спектрі випромінювання в бік коротких хвиль.

Відома конструкція газорозрядного CO-лазера, що містить розрядну камеру, виконану у вигляді трубки, стінки якої охолоджуються. У цій конструкції відвід тепла із зони розряду здійснюється за рахунок дифузії частинок робочого газу на охолоджувані стінки. Недоліком конструкції є те, що зі збільшенням тиску (понад 30 тор) або енерговкладу відбувається інтенсивний нагрів газу, виникає нестійкість розряду, а зменшення діаметра трубки приводить до збільшення розсіювання випромінювання.

Відомий газорозрядний CO-лазер з роздільним накачуванням з дозвуковим потоком робочого газу, вибраний в якості прототипу, містить теплообмінник, розрядну камеру з різнополярними електродами, підключеними до високовольтного генератора, електронний прискорювач для предіонізаціі і резонатор, встановлений на виході розрядної камери. У цьому лазері стійке горіння розряду в CO активному середовищі високого тиску підтримується електронним пучком. Охолоджена в теплообміннику робоча суміш надходить в розрядну камеру, де в процесі порушення через нагрівання газу змінюється його щільність і в результаті в каналі з постійним перерізом газового тракту в кінці зони розряду спостерігається зростання параметра E / N, де E - напруженість поля, a N - щільність частинок в см³, що істотно обмежує енерговклад. У прототипі застосоване розкриття каналу в зоні розряду на 6o, що дозволило трохи збільшити енерговклад і ККД за рахунок більш рівномірного і стійкого горіння розряду уздовж всієї розрядної зони.

Однак це рішення не зменшило температуру збудженого газового середовища і не призводить до зміщення енергії в спектрі її випромінювання в бік коротких хвиль.

Результат підвищення ККД CO-лазера високого тиску з дозвуковим потоком газу і зсувом енергії в спектрі його випромінювання в бік коротких хвиль досягається шляхом дифузійного охолодження активного середовища в процесі його збудження за рахунок конструктивного удосконалення відомого газорозрядного CO-лазера високого тиску з дозвуковим потоком робочого газу, що містить теплообмінник, розрядну камеру з різнополярними електродами, підключеними до високовольтного генератора, і резонатор, встановлений на виході розрядної камери.

Удосконалення полягає в тому, що в якості електродів використана система провідників, кожен з яких розміщений всередині капілярної діелектричної трубки, зазор між капілярними трубками менше їх діаметра, осі трубок перпендикулярні вектору потоку робочого газу, при цьому теплообмінник суміщений з капілярними трубками шляхом їх з'єднання з джерелом хладагента. В якості провідника може бути застосоване покриття на внутрішній поверхні трубки.

Будова

Газорозрядний CO-лазер високого тиску з дозвуковим потоком робочого газу містить розрядну камеру, розміщену в корпусі і утворену системою електродів, кожен з яких складається з провідника, розміщеного в діелектричній капілярній трубці. Осі капілярних трубок розташовані перпендикулярно вектору потоку робочого газу CO-лазера. Трубки встановлено з зазором один щодо одного, що не перевищує їх діаметра. Провідники розміщені в трубці так, щоб між ними і стінкою трубки був зазор, в одному з варіантів провідник виконаний у вигляді провідного покриття на внутрішній поверхні трубки. Порожнини трубок з'єднані з джерелом хладагента і таким чином виконують роль теплообмінника. У разі нанесеного провідного покриття на поверхні трубки в якості холодоагенту може бути використаний, наприклад, рідкий азот. Підключення провідників до високовольтного високочастотного генератора здійснено таким чином, щоб як мінімум два сусідніх електрода були різнополярними. Порожнина трубок і розрядна зона розділені герметичними прокладками. Резонатор встановлений на виході розрядної камери.