непрерывного действия. Кварцевые капилляры пока не обеспечивают длительную
работу ОКГ при больших мощностях. Срок службы кварцевых капилляров
достигает нескольких сотен часов. При плотностях тока 500 А/см и более
кварцевые капилляры практически непригодны для работа. В этом случае в
качестве материала для разрядных капилляров используют различную
тугоплавкую керамику и анодированный алюминий.
Разрядные капилляры из керамики значительно долговечнее, обладают более
высокой теплопроводностью, чем плавленный кварц.
Проблема создания стойких разрядных трубок для аргоновых ОКГ во многом
решается путем использования секционированных разрядных трубок,
состоящих из металлических шайб 7 тугоплавкого материала (молибдена,
тантала, графита, керамики из окиси берилия), разделенных диэлектрическими
изоляционными кольцами 8 (из кварца, резины) (рис.84, (у). В ряде стран
промышленностью выпускаются ОКГ с капиллярами из тугоплавких керамик и
секционированными разрядными трубками мощностью 3+10 Вт и выше. Срок
службы их достигает нескольких тысяч часов.
[pic]
Многочисленные исследования ионных аргоновых ОКГ привели к
оригинальному решению проблемы создания дугового разряда высокочастотными
поляки. На рис.85 приведена схема аргонового ОКГ с высокочастотным питанием
< . Замкнутая кольцевая трубка 2 ОКГ служит как бы одновитковой вторичной
обмоткой высокочастотного трансформатора 3 . Для питания используется
генератор с частотой в несколько мегагерц. Высокочастотное возбуждение
имеет следующие достоинства: снижается эрозия кварцевого капилляра,
отсутствует жестчение газа, существенно уменьшаются шумы в излучении.
Уменьшение эрозии, по-видимому, связано с тем, что ионы не успевают
приобрести значительную скорость при движении в высокочастотном поле. В ОКГ
с высокочастотным возбуждением нет металлических электродов, что позволяет
использовать в них химически активные газы (в таком разряде получена
генерация на ионах мышьяка, брома, селена).
Практически в большинстве ионных аргоновых ОКГ используется наложение
внешнего продольного магнитного поля на разряд, приводящее к существенному
увеличению мощности генерации. Магнитное поле создается соленоидами (см.^|
на рис.84,а) или постоянными магнитами. Оно прижимает разряд к оси
трубки,.уве-личивает концентрацию электронов в центре капилляра, уменьшает
поток заряженных частиц на его стенки. Последнее уменьшает тепловые
нагрузки на капилляр и увеличивает тем самым срок его службы.Напряженность
магнитного поля имеет величину порядка 10° А/м.
[pic]
Важное значение при эксплуатации и разработке аргоновых ОКГ имеет
определение их оптимального режима работы, соответствующего наибольшей
выходной мощности. Мощность генерации 'зависит от силы тока разряда,
давления газа, размеров разрядного капилляра, величины напряженности
магнитного поля и т.д.
На рис.86 приведена зависимость выходной мощности ОКГ с разрядной
трубкой диаметром 10 мм от давления аргона при разных величинах разрядного
тока. Из рисунка видно, что существует оптимальное давление,
соответствующее максимальной мощности. При малых давле-ниях концентрация
ионов незначительна и мощность излучения оказывается небольшой. При
больших давлениях концентрация ионов велика, но мала длина свободного
пробега электронов и, следовательно, мала их энергия. Это ведет к снижению
эффективности возбуждения ионов при соударениях с электронами, вследствие
чего инверсия, а значит, и мощность излучения получаютсянезначительными.
Величина оптимального давления зависит от диаметра разрядной трубки. Она
растет с уменьшением диаметра. Экспериментально установлено, что величина
оптимального давления рот в зависимости от диаметра трубки d определяется
при jd = 100 А/см ( j - плотность тока разряда) соотношением Ропт = 6,5ct
~^, здесь d выражено в сантиметрах. Для реально используемых трубок d =
0,1+1,5 см, ру^ = 100+4 Па.
Мощность генерации при токах выше порогового значения растет
пропорционально квадрату силы тока. Квадратичная зависимость мощности от
тока характерна для всех аргоновых ОКГ. Она объясняется ступенчатым
процессом механизма возбуадения ионов из основного состояния атомов. Лишь
при очень больших плотностях тока ('>1000 А/см^) мощность излучения с
увеличением силы тока перестает расти, наступает насыщение и далее
мощность уменьшается. Однако такого режима трудно достигнуть из-за
разрушения разрядных капилляров. Насыщение мощности излучения с ростом оиды
тока, по-ввдимому, связано с эффектом пленения излучения. Инверсия
населенностей, как было уже показано, в аргоновых ОКГ обеспечивается в
результате опустошения нижнего рабочего уровня 3^48 интенсивными
спонтанными переходами ионов в основное ионное состояние. Спонтанное
излучение, распространяясь в плазме, частично поглощается не-возбухденными
ионами, что приводит к переводу их с уровня Зр^ на уровень Зр4 4s. При
большой концентрации ионов каждому спонтанному переходу Зр 4з •— Зр
соответствует акт поглощения, ведущий к возвращению иона в возбужденное
состояние 3^45. Происходит как бы увеличение эффективного времени жизни
частиц в Зр^д -состоянии, что ведет к уменьшению инверсии насе-ленностей и,
как следствие этого, падению мощности генерации. Удельная мощность
генерации вблизи режима насыщения достигает 2,5 Вт/см.
Большой практический интерес представляет зависимость мощности
генерации от диаметра разрядной трубки (рис.87). Из рисунка видно, что
удельная мощность генерации растет с увеличением диаметра разрядной
трубки. Поэтому для получения большой мощности выгоднее использовать
разрядные трубки увеличенного диаметра (до 10+15 мм). Однако при этом
встречаются трудности в получении равномерного разряда по всей площади
трубки, требуются мощные катоды, обеспечивающие большие токи эмиссии (до
сотен ампер).
[pic]
В настоящее время с трубками диаметром 10 + +15 мм в аргоновом ОКГ
достигнута мощность генерации 500 Вт.
При создании мощных аргоновых ОКГ возникают существенные трудности,
связанные с распылением электродов и стенок разрядных трубок. Распыленные
частицы, оседая на брюстеровы окна (или на внутренние зеркала), образуют
поглощающий слой. В результате абсорбции излучения в поглощающем слое
происходит термическая деформация оптических элементов, что приводит к
значительной расходимости луча и падению выходной мощности. Поглощающий
слой на поверхности окон и разрушение отражающих слоев зеркал резонатора
полем излучения большой мощности являются основными препятствиями, которые
ограничивают рост мощности аргоновых ОКГ непрерывного действия.
Существенное влияние на выходную мощность аргоновых ОКГ оказывает
также аксиальное магнитное поле. Наложение продольного магнитного поля
приводит к спиральному движению электронов и ионов вокруг
магнитных_силовых линий, что снижает радиальную диффузию к стенкам
капилляра, увеличивая концентрацию их на оси трубки. Уменьшение ионной
бомбардировки облегчает тепловую нагрузку на стенки разрядной трубки и
увеличивает срок ее службы. Экспериментальные исследования показывают, что
с ростом напряженности магнитного поля выходная мощность ОКГ увеличивается,
достигая максимума при некотором оптимальном значении напряженности, а
затем падает.
Рис.88 иллюстрирует зависимость мощности генерации от величины
напряженности магнитного поля при различных давлениях газа ОКГ с
капилляром диаметром 4 мм, длиной 28 см, при силе тока 30 А. Видно, что с
ростом давления ^/опт уменьшается. Величина оптимальной напряженности также
зависит от силы тока и диаметра разрядного капилляра. С ростом силы тока и
давления hq „т уменьшается. Оптимальная, величина напряженности магнитного
поля лежит в диапазоне от нескольких десятков тысяч до (2*3)- 1СГ3 А/м.
Исследования показывают, что падение мощности генерации при полях
напряженностью, большей оптимальной, когда образуется значительная
концентрация заряженных частиц на оси разрядной трубки, связано главным
образом с эффектом пленения резонансного излучения и ростом числа тушащих
соударений ионов с электронами, приводящими к безызлучательной дезактивации
верхних рабочих уровней.
Как уже отмечалось, инверсия йаселенностей в дуговом аргоновом разряде
обеспечивается для систем уровней, соответствующих электронным
конфигурациям Зр 4р и Зр4S ионов аргона.Потому при выполнении пороговых
условий в аргоновом ОКГ мэхвт возникнуть генерация когерентного излучения
на целом раде переходов этой системы уровней.
В аргоновых ОКГ генерация наблидается на многих длинах волн, лежащих
в пределах от фиолетовой (450 нм) до зеленой (530 мн) области. Наиболее
интенсивная генерация идет на линии 488 нм, отвечающей переходу ^pгDocln —
^s^Pw • Незначительно ей уступает по интенсивности генерация на переходе
^Р^ю— — Чв^^с длиной волны 514,5 нм. В линиях 488 и 514,5 нм может
заключаться соответственно до 45 и У?% общей мощности генерации. Для этих
линий обеспечиваются наибольшие величины инверсии населенностей и
соответственно большие коэффициенты усиления. Измерение усиления для ОКГ с
капилляром 0,5 см при давлении 10 Па и плотности тока 600 А/см для перехода
о А, = = 488 нм дает величину I3-IO"3 см"1, для перехода с A=5I4,5i»i-
примерно 3,6-Ю"3 см"1.
Следующей по интенсивности после линий 488 и 514,5 нм является линия 496
либо 476 нм, на которую приходится около 6% полной выходной мощности. При
небольших превышениях тока над пороговым значением генерация происходит на
переходе ^Р^то---••^-^м. Линия усиления имеет доплеровское уширение, и
полная ширина спектра генерации достигает 10 ГГц, превышая ширину спектра
Не-Ne ОКГ в 4-5 раз. Последнее объясняется, во-первых, тем, что рабочие
частицы в аргоновой плазме имеют значительно большую скорость, чем атомы
неона в смеси Не-Me, и, во-вторых, более высоким избыточным усилением
(превышением усиления над потерями в резонаторе). Для обеспечения генерации
на отдельных переходах из системы рабочих уровней электронных конфигураций
Зр 4р и 3p-4s необходимо использование селективных элементов в ОКГ (призм,
дифракционных решеток).
Оптический квантовый генератор на углекислом газе
Относится к группе газовых лазеров, в которых используются переходы
между колебательно-вращательными состояниями молекул. В настоящее время
осуществлена генерация на кодебательно-врашательных переходах многих
молекул: СО , ti^O ,НуО , СО^ и т.д. Лучшие результаты получены с ОКГ на
COq . Они являются самыми мощными из всех газоразрядных ОКГ, работающих в
непрерывном режиме, и имеют высокий коэффициент полезного действия,
достигающий 20 т 30%.
Рассмотрим механизм создания инверсии населенностей в ОКГ на углекислом
газе. Инверсия наоеленностей в таких ОКГ осуществляется посредством
газового разряда. Прежде чем рассматривать вопрос о механизме генерации,
приведем некоторые данные о молекуле СО^ и ее уровнях. Молекула COn -
линейная симметричная молекула. Она имеет три нормальных типа колебаний:
валент-ное полносимметричное (^ ), деформационное ( ^ ) и валентное
антисимметричное (^д) (рис.89). Деформационные колебания являются дважды
вырожденными, так как колебания с одной и той же частотой могут происходить
в двух ортогональных плоскостях, проходящих через ось молекулы.
Колебательное состояние молекулы описывается тремя квантовыми числами и, ,
Vn и ^з • каждое из которых представляет число возбужденных квантов
колебаний г>! ' ^2. • "^З • Соответствующие уровни обозначаются
комбинацией квантовых чисел (^ ,и^ , v^ ). Квантовое число t ,
записываемое. в виде индекса, обусловлено двукратным вырождением
деформационного -
колебания. Оно принимает значения ^"1^,0^-2,..., О для четных и, и I « Do,
Uo-1,..., 1 Для нечетных и определяет значение момента количества движения
Р^ = /г.^/(2Х), связанного с колебаниями в направленного вдоль оси
молекулы. Уровни с Ь = 0 являются невырожденными, с Ь > 0 - дважды
вырожденными. При и, > I вследствие ангармоничности колебаний СО^
вырождение снимается. На рис.90 дана схема нижних колебательных уровней
молекул СОп .
Для эффективного заселения верхнего рабочего уровня молекул СО в в
рабочую трубку ОКГ вводят азот..Так как Ng — двухатомная молекула, то она
имеет только одну колебательную степень свободы. Ее колебательная энергия
определяется квантами энергии, обусловленными колебаниями атомов вдоль оси
молекулы. Соответственно колебательные уровни энергии молекулы азота
описываются одним колебательным квантовым числом v . На рис.90 приведена
также система нижних колебательных уровней молекул No. Весьма
примечательно то, что энергия первого возбужденного колебательного уровня
молекулы Nn почти равна энергии уровня (00°1) молекулы СОр . Разница
энергии состояний (00°1) молекулы СОр и ( о =1) молекулы Nn составляет
всего 0,0023 эВ.
Генерация в ОКГ на СО^ осуществляется на переходах (DO0!)-—(П^О) и
(00°I) — (02°0). Наиболее интенсивная генерация идет на переходе (00°1) —
(ГС°0) с длиной волны около 10,6 мкм, которая подавляет почти полностью
генерацию на длине волны 9,6 мкм (00°1) -.(02°0).
Возбуждение верхнего рабочего уровня (00°1) обусловлено несколькими
процессами. Основной процесс возбуждения связан с неупругими соударениями
молекул N^ с СО^ , что ведет к резонансной передаче колебательной энергии
от молекул азота к молекулам углекислого газа:
[pic]
В газовом разряде электронные соударения приводят к эффективному
образованию колебательно-возбужденных молекул Nn (v = I) (до 30% общего
числа молекул Nn). Так как молекула азота состоит из двух одинаковых
атомов, то ее дипольный момент равен нулю, поэтому дипольное излучение
отсутствует и разрушение возбужденных колебательных состояний
происходит только в результате столкновений. Вследствие почти полного
совпадения уровней энергии первого колебательного уровня {и = I) молекул No
и уровня (00 I) СОр соударения возбужденных молекул No с молекулами СОп ,
находящимися в основном состоянии, ведут к селективному заселению верхнего
рабочего уровня (00 I) СО^ .
Существенную роль в заселении верхнего рабочего уровня играет
резонансная передача колебательной энергии от молекул СО молекулам СОр . В
газовом разряде благодаря диссоциации молекул СОо образуется значительное
количество молекул СО , которые при соударениях с электронами интенсивно
переводятся в колебательно-возбужденное состояние. Первый возбужденный
колебательный уровень молекулы СО почти совпадает с верхним рабочим уровнем
(00 Г) молекул СОр. Благодаря этому происходит процесс резонансной
передачи колебательной энергии от молекул СО (так же, как от молекул Nn )
молекулам СОр:
[pic]
Этот процесс - один из основных в заселении верхнего рабочего уровня ОКГ на
чистом СОр .
Верхний рабочий уровень (00°1) дополнительно заселяется благодаря
процессу неупругого соударения молекул двуокиси углерода и электронов:
со-(ооо) + ё — со (оо° 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.*
