Оптические квантовые генераторы
я благодаря
процессу неупругого соударения молекул двуокиси углерода и электронов:
со-(ооо) + ё — со (оо°<) + е . fc *•
Для работы ОКГ наряду с заселением верхнего уровня такое же важное
значение имеет разрушение нижнего рабочего уровня. Релаксация нижнего
лазерного уровня обусловлена столкновениями молекул СОо (10'0) с
невозбухденными молекулами С0^( ООО):
С0^10°0) + СО^(ООО)-- CO^OI 'O+COg^O). (125)
Этот процесс идет с большой эффективностью, что связано с соответствием
нижнему лазерному уровню (10°0) молекул СОр энергии почти вдвое большей,
чем требуется для возбуждения колебательного уровня (01^0). В результате
соударения молекул СОп (10°0) и СОп (000) приводят к перераспределению
колебательной энергии между ними с возбуждением каждой на уровень (01 0).
Переход молекул СОп из состояния (01 0) в основное состояние (000)
обеспечивается столкновениями их с частицами постороннего газа. При этом
энергия деформационных колебаний молекулы С0о_ (01 0) превращается в
энергию поступательного движения со-ударяющихся молекул.
Значительное уменьшение времени релаксации уровней (01-0) и (10 0) и
увеличение тем самый инверсии населенностей,а значит и мощности генерации
вызывают гелий, водород, пары воды, которые вводят для этой цели в рабочую
трубку ОКГ.
По устройству ОКГ на СОо не имеют принципиальных отличий от других
газоразрядных генераторов. Однако они характеризуются конструктивными
особенностями, обусловленными спектральным диапазоном и высокой мощностью
излучения.
На рис.91 приведены схемы конструкций ОКГ на углекислом газе. В мощных
СКГ длина разрядных трубок достигает нескольких метров, а диаметр - 70 -5-
80 мм. Дальнейшему увеличению диаметра препятствует контрагирование столба
газового разряда, которое наступает для смеси No-СОо при диаметрах,
больших,чеп 40 мм, а на смесях Nn-CO-He при диаметрах, больших» чем 70*
т80 мм. В ОКГ на СО^ используется принудительное водяное охла ждение
трубок ( 1 на рис.91,а). 1%
[pic]
Разряд осуществляют как на постоянном токе (см.рис.91, а), так и
переменным напряжением промышленной частоты ( и на рис. 91.ff ). В длинных
трубках для упрощения зажигания и поддержания разряда создают секции длиной
80+100 см, разряд в каждой из которых поддерживается независимо от других
секций. Обычно используют источники с напряжением примерно 20 кВ и током,
достигающим десятков и сотен миллиампер.
Применяют как внутренние (3), так и внешние зеркала(^> Пло-
скопараллельные пластины брюстеровских окон (.5) газоразрядных трубок
делают из NuCL , KCL , Ge , SL , -прозрачных в области 9+11 мкм.
Используют зеркала с металлическими или интерференционными диэлектрическими
отражающими покрытиями. Подложки зеркал для ОКГ небольшой мощности (порядка
I Вт) делаются из кварца. Наилучшим материалом при высоких уровнях мощности
для подложек зеркал и для брюстеровских окон является иртрай,
представляющий собой прессованный поликристалл ZnSe . Для вывода
излучения из ОКГ в зеркалах с металлическими отражающими покрытиями
делается небольшое отверстие" - окно (диаметром несколько миллиметров).
Коэффициент пропускания выходных зеркал с диэлектрическими покрытиями имеет
величину 10 т 30%.
Разрад в рабочей смеси газов сопровождается диссоциацией и изменением
исходного состава газа. Поэтому очень часто, особенно в мощных ОКГ,
используется непрерывная прокачка газа (б) через разрядную трубку.
[pic]
Рассмотрим основные характеристики ОКГ на COg . На рис.92 показана
зависимость выходной мощности от силы тока разряда паи различных давленяях
СОп для ОКГ с отпаянной трубкой длиной I м и диаметром 10 мм. Сначала
мощность возрастает вместе с током, а затем падает. Такая зависимость
объясняется конкуренцией двух факторов. Увеличение концентрации
электронов, о одной стороны, ведет к возрастанию скорости возбуждения
молекул СОп на уровень (00^1), а с другой,- повышает газовую температуру,
что увеличивает ^ скорость разрушения антисимме-- тричных колебаний
молекул.
Значительное увеличение мощности генерации достигается
добавлением к СО^ азота.
Рис.93 иллюстрирует влияние введения азота в разрядную трубку на мощность
и КПД ОКГ на СОп • При добавлении азота благодаря резонансной передаче
колебательной энергии от молекул Nn антисимметричному типу колебаний СОо
инверсия населенностей. а следовательно, и мощность растут. Однако по мере
введения N^ повышается температура газа, что приводит к увеличению
скорости релаксации уровня (00°1), уменьшению его заселенности, а также
росту населенности нижнего лазерного уровня (Ю°0). Поэтому инверсия
населенностей снижается и мощность падает.
Существенное влияние на энергетические характеристики ОКГ на COp-Nn
оказывает введение в разрядную камеру гелия (рис.94)1 Гелий, обладая
теплопроводностью, в несколько раз превышавшей теплопроводность СОв^ и Nn,
снижает газовую температуру, что способствует увеличению инверсной
населенности, а значит,и выходной мощности. Кроме того, с введением в
разряд гелия воз
[pic]
растает возбуждение колебательных уровней молекул СО- , Мд и СО . Однако
при больших парциальных давлениях гелия в газовой смеси мощность генерации
падает, так как уменьшается населенность верхнего лазерного уровня (00°!)
из-за релаксации антисимметричных колебаний молекул СОр при
столкновениях COn-He . Мощность генерации также повышается при введения
в разряд паров воды.
Оптимальный состав рабочей смеси газов в ОКГ на СОр зависит от
размеров разрядной трубки, температуры ее стенок, скорости прокачки смеси
и т.д. Обычно используются смеси угле
кислого газа, азота и гелия в соотношении 1:1+5:3*8 при общем давлении
порядка I03 Па. Удельная мощность генерации достигает I Вт на I см разряда
газовой смеси. Типичный ОКГ на углекислом газе при длине разрядной трубки
200 см дает непрерывную мощность около 150 Вт. Увеличение длины разрядной
трубки ведет к примерно пропорциональному росту мощности. Таким путем
удается создать ОКГ на углекислом газе с выходной мощностью больше I кВт.
На уникальной установке с длиной разрядного канала ВО м была получена
мощность генерации около 9 кВт.*
| |  скачать работу |
Оптические квантовые генераторы |
