Материал: LS-Sb89572

Близкое расположение лазерных уровней к основному состоянию молекулы СО2 приводит к сильной зависимости инверсии населенностей от тем-

пературы (T) газа, вследствие больцмановского заселения нижнего лазерного уровня. При T газа порядка 400 К (kT = 0.035 эВ) наступает срыв инверсии, что вынуждает использовать принудительное, чаще всего водяное, охлаждение стеклянных стенок разрядного канала. Для обеспечения эффективного переноса тепла от разряда к стенкам в активную смесь дополнительно вводят гелий – легкий, подвижный газ с высокой теплопроводностью. Благодаря этому в тройной газовой смеси СО2–N 2–He показатель усиления повышается

до 1...2 м–1 . Прокачка газовой смеси, используемая в мощных СО2-лазерах,

повышает усиление до 5 м–1 . Оптимизация суммарного давления газовой смеси подбором парциального давления He способствует, кроме того, установлению в положительном столбе разряда электронной температуры на уровне (1.5…2)10 4 К, которая обеспечивает практическое совпадение максимума функции распределения электронов по энергиям в положительном столбе разряда с максимумами сечений возбуждения рабочих уровней молекул СО2 и азота, приходящихся на энергии 1...3 эВ. В итоге 50–80 % энергии электронов передается верхнему лазерному уровню молекулы СО2.

Активный элемент отпаянного СО2-лазера представляет собой стеклян-

ную или кварцевую разрядную трубку диаметром от долей до 2...3 см и длиной от десятых долей до нескольких метров, в которой возбуждается слаботочный тлеющий разряд. Разрядная трубка, рубашка водяного охлаждения и балластный объем образуют коаксиальную конструкцию. Балластный объем, соединенный с разрядным каналом, увеличивает общий запас газа, снижая тем самым степень влияния диссоциации молекул СО2 в разряде на стабиль-

ность состава активной среды. Этой же цели служат катализаторы восстановительной реакции 2СО + О2 = 2СО2, например таблетки закиси меди, рас-

полагаемые в катодной области. Выходные окна и подложки зеркал изготавливаются из материалов, прозрачных для инфракрасного излучения: германия, арсенида галлия, селенида цинка. На подложку выходного, рабочего зеркала наносится многослойное интерференционное отражающее покрытие. Нерабочее, “ глухое” зеркало выполняется в виде алюминиевого, медного или золотого покрытия, наносимого на металлическую или кварцевую подложки. Серьезными проблемами в мощных СО2-лазерах являются быстрая деграда-

ция и разрушение отражающих покрытий и выходных окон под воздействием собственного мощного излучения. Недостатками СО2-лазеров постоянно-

16

го тока являются высокие, до десятков киловольт, рабочие напряжения питания и необходимость использования для ограничения тока тлеющего разряда балластных резисторов, в которых теряется 40–50 % мощности накачки.

В маломощных СО2-лазерах для возбуждения активной среды иногда используют высокочастотный разряд. Ток ВЧ-разряда ограничивается реактивным сопротивлением, определяемым эквивалентной емкостью электродных узлов, чем исключаются потери мощности накачки в активном балласте. Рабочее напряжение блока ВЧ-питания оказывается в несколько раз ниже. Охлаждение лазеров с ВЧ-накачкой может быть воздушным и обеспечиваться несколькими вентиляторами. Электрическая схема их источников питания сложнее и менее надежна. Лазеры с ВЧ-накачкой в целом проигрывают по частоте отказов, сроку службы и уровню мощности генерации классическим отпаянным СО2-лазерам постоянного тока.

При увеличении I выше порогового создаются условия для эффективного возбуждения активной среды за счет роста числа возбуждающих электронов. Инверсия растет, и уровень генерации возрастает. Дальнейший рост I повышает Т газа и снижает инверсию. Действие встречных тенденций приводит к существованию оптимального тока разряда. Существует и оптимальное давление газовой смеси. Рост давления газа, первоначально сопровождается увеличением числа возбужденных частиц, но в дальнейшем приводит к спаду электронной температуры, уменьшая усиление и, кроме того, увеличивает долю спонтанного излучения за счет активизации столкновительных процессов. В активной среде СО2-лазеров зависимость усиления от диаметра раз-

рядного канала слабая, но рост диаметра ухудшает отвод тепла из приосевой области разряда к охлаждаемым стенкам.

2.2. Описание лабораторной установки

Установка (рис. 2.1) состоит из двух отпаянных СО2-лазеров ЛГН-705 и

ЛГ-5 с максимальной мощностью излучения, соответственно, 3 и 7 Вт, блоков питания с регулируемыми выходными напряжениями (до 10 кВ), фотоприемного устройства, оптических элементов, выполняющих функции регулировки мощности, пространственного ограничения пучка и защиты лазерного излучения. В лазере ЛГН-705 используется тлеющий разряд постоянного тока. Ток I регулируются с помощью лабораторного автотрансформатора (ЛАТР) и контролируется встроенным в блок питания миллиамперметром. В лазере используется комбинированный оптический резонатор: подложка металлического (Au) “ глухого” зеркала герметично соединена с торцом раз-

17

рядной трубкой активного элемента СО2-лазера. Второй торец разрядной трубки закрыт окном из арсенида галлия, расположенным под углом Брюстера к оптической оси. Подложка выходного зеркала также изготовлена из арсенида галлия и имеет многослойное интерференционное покрытие. Оптимальная температура активной газовой смеси поддерживается с помощью принудительного водяного охлаждения.

Часть мощности излучения лазера ЛГН-705 с помощью светоделительной пластины (СП) из NaCl с шестикратным ослаблением ответвляется в измерительный канал, содержащий радиационный термоэлемент (РТЭ) чувствительностью K = 127 мВ/Вт. Выходной сигнал РТЭ (UÐÒÝ ) [мВ], пропор-

циональный мощности излучения лазера, измеряется цифровым вольтметром (ЦВ). Тепловая инерционность РТЭ составляет 10…12 с, поэтому длительность выдержек при проведении измерений не должна быть менее 15 с.

Рис. 2.1. Схема лабораторной установки

В лазере ЛГ-5 используется высокочастотное питание и воздушное принудительное охлаждение. Разрядная трубка имеет внутренние электроды и зеркала. Регулировка мощности накачки лазера производится встроенным в ВЧ-блок

Мощность излучения лазера ЛГ-5 контролируется тем же радиационным термоэлементом, что и в первом случае. Для защиты от перегрузок между РТЭ и лазером ЛГ-5 установлен ослабитель – электромеханический модулятор ЭММ с коэффициентом деления 30.

18

Прогрев газоразрядных трубок и оптических элементов после включения лазеров сопровождается замедляющимся во времени изменением длины резонатора и соответствующим тепловым дрейфом продольных мод в пределах контура усиления, а следовательно, и изменением мощности генерации. Полное установление теплового равновесия лазера может затягиваться на часы. Поведение мощности Р = f(t) излучения лазера в переходный период фиксируется на диаграммной ленте самопишущего прибора либо вручную.

2.3. Порядок выполнения работы

Внимание! Установка включается и выключается только с разрешения преподавателя и в его присутствии. Категорически запрещается снимать защитные кожухи и крышки и вносить в зону лазерного пучка посторонние предметы.

1.Включить цифровой вольтметр и самопишущий прибор.

2.Включить водяное охлаждение лазера ЛГН-705, установив расход воды V = 1 л/мин, соответствующий 100 делениям по контрольному устройству.

3.Включить тумблер “ Сеть” на блоке питания лазера. Регулируя выходное напряжение блока с помощью ЛАТРа, возбудить разряд в СО2-лазере и

установить ток I = 10 мА. В течение 20 мин с помощью цифрового вольтметра зарегистрировать зависимость Р = f(t). В процессе регистрации расход воды поддерживать на заданном уровне.

4.Снять вольт-амперную характеристику U = f(I) и зависимость выходной мощности лазера ЛГН-705 от тока разряда Р = f(I) в диапазоне от максимального значения (15 мА) до минимально возможного тока, определяемого обрывом разряда в лазере (порядка 7…8 мА). Выключить блок питания ЛГН-705.

5.Установить расход воды в системе охлаждения лазера ЛГН-705 V =

=0.5 л/мин, соответствующий 70 делениям по контрольному устройству, и выждать 5 мин.

6.Повторить п. 3 для нового значения расхода охлаждающей воды.

7.В присутствии преподавателя исследовать структуру лазерного пучка и воздействие лазерного излучения на различные материалы. Выключить блок питания ЛГН-705.

8.Установить тумблер ВЧ-блока лазера ЛГ-5 “ Внешний/внутренний запуск” в положение “ Внешний”, а регулятор ВЧ-мощности в крайнее левое положение (повернуть против часовой стрелки до упора).

9.В присутствии преподавателя переставить РТЭ в рабочую зону лазера ЛГ-5. Включить электромеханический модулятор.

10.В присутствии преподавателя включить тумблер “ Сеть” на блоке пи-

тания лазера ЛГ-5 и прогреть его в течение 5 мин.

19

11.Перевести тумблер ВЧ-блока лазера ЛГ-5 “ Внешний/внутренний запуск” в положение “ Внутренний”.

12.Повышая выходную мощность ВЧ-блока питания с помощью потен-

циометра, возбудить разряд в СО2-лазере и установить РВЧ = 100…120 Вт

(см. табл. 2.1). С помощью цифрового вольтметра зарегистрировать зависимость мощности излучения от времени Р = f(t) в течение 15 мин.

13. Делая необходимые выдержки, снять зависимость выходной мощности лазера ЛГ-5 от уровня ВЧ-мощности в диапазоне 50…350 Вт, после чего установить минимальный уровень РВЧ.

14.В присутствии преподавателя исследовать воздействие лазерного излучения на различные материалы. Установить минимальный уровень РВЧ.

15.Перевести тумблер ВЧ-блока лазера ЛГ-5 “ Внешний/внутренний запуск” в положение “ Внешний” и выждать 5 мин.

16.Выключить блок питания ЛГ-5 тумблером “ Сеть”.

2.4.Содержание отчета

1.Цель и содержание работы, схема лабораторной установки.

2.Таблицы значений экспериментальных и расчетных величин.

3.Для всех исследованных режимов лазеров графики зависимостей Р =

=f(t) и нестабильности мощности излучения δP/P = f(t), где P – средняя мощность за время усреднения t; δP – максимальное отклонение текущего значения мощности излучения от среднего уровня P за тот же период t. При расчете δP/P время усреднения t на зависимости Р = f(t) выбрать равным 5 мин.

4.Графики зависимостей: Р(Вт) = f(I) для ЛГН-705; Р(Вт) = f(РВЧ) и

КПД η = Р/РВЧ для ЛГ-5.

5. Расчеты КПД СО2-лазера ЛГН-705 для исследованных значений раз-

рядного тока и η = Р/Рнак, где Рнак = UI – мощность накачки, и продольного градиента потенциала E в разряде с учетом того, что падение напряжения на положительном столбе (ПС) UПС = EL = 0.9U, а его протяженность L = 0.33 м.

6. Выводы и протокол испытаний.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗЛУЧЕНИЯ ГЕЛИЙ-НЕОНОВОГО ЛАЗЕРА

Цели работы – ознакомление с принципом действия и устройством газоразрядного атомарного лазера на основе гелий-неоновой смеси; изучение энергетических, временных и пространственных характеристик излучения He–Ne- лазера.

20