Лазеры и лазерное излучение

ЛАЗЕРЫ И ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
(выдержки из справочника «Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов»)
В последнее время все большее значение приобретают процессы обработки
материалов лазерным излучением с различными длинами волн и электронными
потоками при ускоряющих напряжениях в «технологическом» диапазоне (10-150 кВ).
Одним из основных преимуществ концентрированных потоков энергии (КПЭ)
является возможность достижения сравнительно простыми техническими средствами
высоких плотностей потока энергии на поверхности обрабатываемой детали, что
предопределяет широкий диапазон реализуемых технологических процессов,
включая сварку, термическую обработку, резание, образование отверстий в
пластинах и т.д.
В дальнейшем мы будем рассматривать преимущественно характеристики
излучения лазеров диапазона длин волн (0,4 – 10,6 мкм), в котором генерируется
излучение с достаточно высокими энергетическими параметрами (энергия, мощность
в импульсном или непрерывном режимах и т.д.), определяющими эффективное
использование лазеров для технологических целей.
Лазерное излучение (ЛИ) – это вынужденное монохроматическое излучение
широкого диапазона длин волн от единиц нанометров до десятков и сотен
микрометров.
Лазерное излучение характеризуется рядом уникальных свойств. К их числу
относятся большая интенсивность электромагнитной энергии, высокая
монохроматичность, значительная степень временной и пространственной
когерентности. Лазер отличается от других источников энергии очень узкой
направленностью распространения излучения.
Одной из важнейших характеристик лазерного излучения является
монохроматичность, определяющая диапазон частот или длин волн, который
занимает излучение, т.е. ширину его спектра. Для некоторой спектральной линии с
длиной волны λ0 (частотой ω0) степень монохроматичности µ=∆λ/λ0=∆ω/ω0, где ∆λ –
ширина спектра.
Обычно лазеры считают источниками монохроматического излучения, так как
оно имеет достаточно узкий спектральный интервал, который можно характеризовать
одной частотой или длиной волны. Например, для газовых лазеров, работающих в
одномодовом режиме при ∆λ≈10-10мкм µ≈10-10.
Высокая монохроматичность излучения позволяет использовать его при
исследованиях атмосферы, в спектроскопии, при
изучении явлений
фотолюминесценции и фотоэффекта, создании эталонов частоты, управлении
химическими реакциями и др.
Монохроматичность тесно связана с одним из основных свойств лазерного
излучения – его когерентностью.
Когерентность определяется корреляцией характеристик поля излучения,
образованного в одно и то же время разнесенными в пространстве источниками
(пространственная когерентность), или одним и тем же источником, но в разные
моменты времени (временная когерентность). Если в результате сложения полей
результирующая интенсивность электромагнитного излучения J в точке Q в
зависимости от разности фаз может принимать любые значения от (√J1 - √J2)2 до (√J1
+ √J2)2, то источники когерентны. Источники полностью некогерентны, если
интенсивность J= J1 + J2. В случае временной когерентности lког=cτког, где с – скорость
света (определяет связь между характеристиками временной и пространственной
когерентности источников, т.е. если разность хода лучей превышает некоторое
значение параметра lког, называемого длиной когерентности, то корреляция между
характеристиками электромагнитного поля в различные моменты времени
отсутствует); τког – время когерентности, в течение которого разность фаз колебаний
источников не успевает измениться на величину того же порядка, что и π; τког связано
с шириной спектра излучения ∆λ (степенью монохроматичности) соотношением τког ≈
∆λ ≈ µ.
Для лазерного излучения τког=10-2÷10-1с, а для обычных источников света
τког=10-8с.
Высокая степень временной когерентности излучения позволяет использовать
его для различных научных и технических приложений, связанных с интерференцией,
измерением длин, линейных и угловых скоростей, малых перемещений, для передачи
информации на оптических частотах и т.д. Пространственная когерентность
обусловливает высокую направленность излучения и возможность фокусирования его
на площадки малых размеров.
Важный параметр излучения – поляризация. В большинстве случаев лазерное
излучение оказывается плоскополяризованным.
Вид лазерного вещества определяет тип поляризации излучения. Когда
оптическая ось кристалла (рубин) параллельна оси резонатора (кристалл с нулевой
ориентацией), все плоскости поляризации равноценны и излучение лазера
характеризуется естественной поляризацией. Если оптическая ось кристалла и ось
резонатора перпендикулярны, то излучение поляризовано в плоскости,
перпендикулярной к оптической оси кристалла.
Принцип работы лазеров неотделим от понятия энергетических уровней (или
уровней энергии) – значений энергии атома, молекулы и других квантовых систем
(состоящих их электронов, ядер, атомов и т.д. и подчиняющихся квантовым законам,
характерным для микромира). В различных материалах (газы, жидкости или твердые
тела) вследствие взаимодействия атомов или молекул между собой их
энергетические уровни изменяются тем сильнее, чем выше плотность материала,
причем энергетические уровни отдельных атомов расширяются и образуется почти
непрерывная энергетическая полоса, состоящая из отдельных уровней энергии.
Для создания лазеров нужны материалы с определенными свойствами –
лазерные вещества.
Лазерные
вещества
твердотельных
лазеров
могут
иметь
кристаллическое или аморфное строение.
Кристалл состоит из основы – матрицы, в которую введена атомная система –
активатор, определенным образом распределяющаяся в матрице. Кристаллические
лазерные вещества разделяются на кислородные и фтористые соединения.
Кислородные соединения включают в себя окислы элементов III группы,
окислы редкоземельных элементов, материалы на основе кислородных соединений V
и VI групп.
Окислы элементов III группы – это рубин и гранат.
Рубин – α–Al2O3(Cr+3) – кристаллическая матрица α-корунда (α-Al2O3), часть
узлов которой замещена ионами хрома (Cr+3).
Рубин отличается высокой химической стойкостью и высокой
теплопроводностью. К преимуществам рубина относят его способность работать при
293К, высокие механическую прочность и порог разрушения, к недостаткам –
значительную оптическую неоднородность, причиной которой являются дефекты
кристаллической решетки (дислокации, блоки, плоскость скольжения, инородные
включения, неравномерное распределение ионов хрома в матице). Дефекты в
кристаллах приводят к появлению внутренних напряжений. Неравномерное
распределение в кристалле ионов Cr+3 вызывает значительную неоднородность
показателя преломления и деформирование решетки, обусловливающее аномальное
двулучепреломление.
Гранаты – соединения, отвечающие формуле А3В5О12 или А3В2(ВО4)3 , где А –
ионы иттрия или лантаноидов, В – алюминий, галлий, железо, индий, хром и др.
Наиболее распространен для лазеров иттрий-алюминиевый гранат (YAG) c
неодимом, имеющий формулу Y3Al5O12:(Cr+3, Nd+3). Кристалл YAG: Nd+3 обладает
хорошими механическими свойствами, высокой теплопроводностью и совершенной
кристаллической структурой.
Окислы редкоземельных элементов. Практическое распространение получили
окислы лантана с примесью неодима La2O3(Nd+3), гадолиния с примесью неодима
Ga2O3(Nd+3), эрбия Er2O2(Ho+3, Tm+3).
Материалы на основе кислородных соединений элементов V группы. К этой
группе относят ванадаты с матрицами Ca3(VO4)2, YVO4, GdVO4, LaVO4, Th2Ln(VO4)3 и
примесями ионов Nd, Eu, Tb, Dy, Er и др.
Материалы на основе кислородных соединений элементов VI группы. К этой
группе относят вольфраматы и молибдаты.
Фтористые соединения. Матрицами служат фториды щелочноземельных
металлов (CaF2, SrF2, MgF2, BaF2), а в качестве активаторов используются ионы урана
U+3, некоторые лантаниды, например Dy+2, Tm+2, Sm+2, другие элементы, например
Nd+3, Ni+2, Co+2.
Аморфные активные вещества. К числу аморфных веществ относят
стекла – неорганические термопластические материалы на основе ковалентно
связанной сетки полиэдров анионов (SiO4)-4, (BO3)-4, (BO3)-3, (PO4)-3.
У стекол есть ряд преимуществ перед кристаллами: значительные
концентрации активаторов в матрице; дешевизна материалов матрицы, несложность
воспроизводства стержней любых размеров и формы, высокая оптическая
однородность и малые потери излучения.
Лазерные вещества жидкостных лазеров. У жидких лазерных веществ есть
ряд преимуществ по сравнению с твердотельными. Жидкость можно сделать
однородной практически в любом объеме, и это позволяет значительно увеличить
предельные энергии излучения. Жидкости имеют постоянные оптические
характеристики, они изотропны. Жидкие активные вещества дешевы, в случае
необходимости отработанный объем жидкости легко заменить новым. С помощью
циркуляции жидкости в кювете можно существенно улучшить теплоотвод. Кроме
этого, важным преимуществом жидких активных лазерных веществ является
возможность непрерывной перестройки излучения в относительно широком
диапазоне и др.
Жидкие лазерные вещества делят на три группы: растворы дикетонатов
редкоземельных элементов (европия или тербия) в органических растворителях;
растворы флюоресцирующих органических красителей; растворы неорганических
соединений редкоземельных элементов.
Лазерные вещества газовых лазеров. Главное отличие лазерного вещества
газового лазера от лазерного вещества твердотельного лазера заключается в малой
плотности вещества, вследствие чего энергетический спектр активных частиц
(нейтральных атомов, ионов, молекул) не искажается воздействием полей других
атомов и это определяет малую ширину энергетических уровней. В газовых лазерах в
отличие от высокомощных твердотельных (рубиновых и стеклянных) исключена
возможность разрушения вещества лазерным излучением. В них также сравнительно
легко можно обеспечить отвод теплоты путем удаления горячего газа из области
взаимодействия.
Высокая оптическая однородность среды обеспечивается сравнительно
небольшой плотностью газов, где пучок практически не рассеивается. Это в
значительной степени объясняет высокую монохроматичность и направленность
излучения газовых лазеров. В то же время из-за малой плотности лазерного
вещества невозможно получить значительные мощности излучения.
Возбуждение газов является следствием разнообразных процессов: упругих и
неупругих столкновений, ионизации и рекомбинации, диссоциации, химических
реакций и др. Этим объясняется разнообразие методов создания инверсной
населенности в газовых лазерных веществах. Наиболее распространены три группы
методов возбуждения лазерного вещества: электрических разряд, оптическая
накачка и химические реакции. Различают следующие механизмы создания
инверсной населенности: соударения I рода, соударения II рода, диссоциацию
молекул
из преддиссоциативных
состояний,
оптическое
возбуждение,
фотодиссоциацию, химические реакции, создание различий во времени релаксации
колебательных и вращательных состояний (например, при адиабатическом
расширении молекулярного газа в газодинамическом лазере).
В атомных газовых лазерах используются соударения I рода (упругие)
электронов с нейтральными атомами газа (Ne, Ar, Cr, Xe) и с атомами в парах
металлов (Cu, Pb, Mn), а также соударения II рода в процессе передачи энергии от
атома одного элемента (например, Не) атому другого элемента (например, Ne),
причем атомы находятся в возбужденном состоянии.
Классическим газовым лазером, работающим по этой схеме, является гелийнеоновый лазер.
Значительно большие мощности излучения (около десятков ватт) в
непрерывном режиме позволяют получать лазеры с ионной активной газовой средой
– ионные газовые лазеры.
Наиболее
распространенными
и
характерными
представителями
газоразрядных лазеров являются аргоновые ионные лазеры, причем наибольшая
мощность излучения получена на длинах волн 0,488, 0,5145, 0,4965 мкм. Выходная
мощность в непрерывном режиме достигает десятков ватт при максимальном КПД до
0,2%.
В ионных лазерах кроме аргона используются также другие газы: криптон,
ксенон, гелий, неон, хлор, азот, а также пары следующих металлов: Cd, Sn, Zn, Se,
Pb, Hg, Cu, Tl, Au, Mn и др.
Благодаря значительной выходной мощности ионные лазеры могут быть
использованы в промышленности для технологических целей: резки, сварки и т.д.
Молекулярные лазеры. У атомных и ионных газоразрядных лазеров
вследствие значительной разности в энергии верхних и нижних уровней
эффективность электронного механизма накачки невелика и КПД невысок.
С точки зрения повышения КПД газовых лазеров перспективно использовать
низко расположенные энергетические уровни частиц, в качестве которых можно
рассматривать колебательные возбужденные состояния молекул. В молекуле,
состоящей из нескольких атомов, внутренняя энергия определяется не только
энергией электронов каждого атома, но и энергией колебательного движения атомов
около некоторого положения равновесия.
При возбуждении молекулярных газов спектр излучения получается
значительно сложнее, чем в атомных и ионных системах. В общем случае переходы
будут осуществляться между различными электронно-колебательно-вращательными
уровнями молекулы, вследствие чего возможна генерация значительно большего
числа линий, чем на атомах. Число лазерных переходов, реализованных при
возбуждении различных газов, таких, как N2, O2, CO, H2 и другие, достаточно велико, а
из молекулярных лазеров на электронных переходах перспективны лазеры с
генерацией излучения в ультрафиолетовой области спектра (λ=0,337 мкм) с
импульсной мощностью до 1 МВт и лазеры на водороде с излучением в вакуумноультрафиолетовой области (λ=0,16÷0,18мкм).
Лазеры на колебательных и вращательных переходах дают излучение в
инфракрасной области спектра.
Наибольшее распространение получили лазеры на СО2.
В 1964 году С.Пейтел исследовал колебательно-вращательные переходы в
молекулах СО2, а позднее создал лазер на этих переходах. Он получил генерацию на
13 линиях в инфракрасной области спектра на длине волны около 10 мкм. Мощность
лазера на СО2 (около 1 мВт) путем добавления Не и N2 была существенно увеличена.
На рисунке 1 приведена принципиальная схема первых молекулярных лазеров.
Рис. 1. Принципиальная схема первых молекулярных лазеров.
Здесь металлические (например, стальные) позолоченные зеркала 1,
расположенные на концах стеклянной разрядной трубки 2, образуют конфокальный
резонатор, а излучение основной линии с λ=10,6мкм выходит из него через отверстие
в переднем зеркале, загерметизированное кристаллом из NaCl, пропускающим
инфракрасное излучение. Переднее зеркало изготовляют также из чистого германия,
кристаллов KCl, селенида цинка и др.
В разряде углекислый газ диссоциирует с образованием кислорода и угарного
газа: 2CO2→2CO+O2. Вследствие этого газовая смесь «портится» и мощность
генерируемого излучения значительно снижается. Интенсивность лазерного
излучения можно значительно увеличить путем прокачки вдоль разрядной трубки
газовой смеси. С увеличением скорости прокачки мощность генерации
увеличивается. Кроме этого, для снижения температуры разряда (т.е. увеличения
эффективности работы лазера на СО2) интенсивный теплоотвод осуществляют
водяным охлаждением разрядной трубки.
Быстропроточные лазеры на СО2. Поначалу для повышения выходной
мощности молекулярных лазеров длину разрядных трубок увеличивали до 100м и
более, причем 1м столба разряда давал 50-80 Вт при КПД системы 10-20%. Лазеры
на смеси CO2-N2-He получили значительное развитие и широкое применение.
Несмотря на большие потенциальные возможности лазеров на газовой смеси
CO2-N2-He c накачкой стационарным разрядом, увеличить их выходную мощность
сложно. Это прежде всего объясняется тем, что удельная мощность лазеров на СО2
при охлаждении рабочего вещества через стенки трубки ограничена вследствие
малых плотностей рабочей смеси.
Повышение выходной мощности лазера на СО2 путем удлинения разрядного
промежутка сопряжено с практическими трудностями из-за юстировки зеркал
резонатора и в некоторых случаях нецелесообразно. Максимальная мощность лазера
на СО2 (8,8 кВт) с электрическим стационарным разрядом была достигнута на
установке с длиной оптического пути 185м.
В 1969 году В. Тиффани, Р. Торг и И. Фостер предложили использовать вместо
продольной поперечную прокачку газовой рабочей смеси по отношению к оси
резонатора лазера. Излучение мощностью 1 кВт было получено на лазере длиной 1м.
Для снижения температуры рабочей смеси и увеличения инверсии в системе газы
проходят через теплообменник. В лазере описываемой конструкции скорость
прокачки газа составляла 300 м/с. Коэффициент пропускания переднего зеркала из
чистого германия равнялся 35%. Газовая смесь состояла из СО2 (2,7∙102 Па), Не
(8,1∙102 Па) и N2 (1.6∙103 Па).
Быстропроточные лазеры позволили получить в непрерывном режиме
мощность до 27 кВт при КПД преобразования около 17%.
ТЕА-лазер на СО2. В 1970 году А. Бальо предложил использовать в
молекулярных лазерах возбуждение поперечным искровым разрядом при увеличении
давления в лазере до 105 Па. Этот лазер стали называть ТЕА (Transversely Exited
Atmospheric Pressure).
ТЕА-лазер метровой длины генерировал импульсы излучения мощностью
около 1 МВт. Электрический разряд в нем происходил между длинным верхним
электродом (анодом) и катодом, состоящим из набора параллельных игл, включенных
через резисторы сопротивлением около 1 кОм. В разрядную камеру подавались
электрические импульсы от конденсатора емкостью около 0,02 мкФ, заряженного до
напряжения 17кВ.
Частота импульсов могла изменяться от нескольких герц до 103 Гц. Общее
давление смеси составляло примерно 105 Па (соотношение частей по объему: N2,
CO2, He соответственно 1:1,2:10). Длительность лазерного импульса 300нс,
длительность разрядного импульса 1мкс, энергия импульса 30 мДж. Одно из зеркал
из NaCl с селеновым покрытием имело коэффициент отражения около 85%.
Усовершенствованные лазеры А. Бальо имели КПД около 17% при энергии
импульса до 1 Дж и частоте повторения импульсов до 1 Гц. Средние мощности таких
лазеров невысокие. Следовательно, получить на них частоту следования около
нескольких десятков герц трудно. Изготовление кристаллов для выходных окон
больших размеров для лазеров этого типа трудоемко и дорого.
Создание импульсных газовых лазеров с КПД около 20% позволило также
получить излучение больших мощностей (МВт) при значительной энергии (сотни
джоулей) импульса с использованием больших объемов рабочей газовой смеси. Эти
лазеры обладают рядом преимуществ по сравнению с твердотельными лазерами. В
отличие от них ТЕА-лазеры позволяют получать не только мощные одиночные
импульсы лазерного излучения, но и большую среднюю выходную мощность при
высоких частотах следования импульсов генерации.
ТЕА-лазеры длиной около 90 см обеспечивают мощность 20 мВт при энергии
импульса 2 Дж и КПД около 17%. При длине разрядного промежутка примерно 305 см
были получены мощности 100 мВт при энергии импульсов 9 Дж. При комбинации
поперечного возбуждения с поперечной прокачкой была получена средняя мощность
ТЕА-лазера 150 Вт при частоте следования импульсов генерации 1 кГц на длине
разрядного промежутка лазера примерно 152 см.
Создан ТЕА-лазер на СО2 с энергией импульса 20 Дж при выходной пиковой
мощности 2,5 МВт, частоте следования импульсов генерации несколько сотен герц и
КПД примерно 20%, предназначенный для лазерной обработки материалов.
Работы в области ТЕА-лазеров ведутся в двух направлениях: получения
большой выходной мощности в импульсе и увеличения частоты следования.
Существующие в настоящее время молекулярные лазеры на СО2 (ТЕАлазеры) генерируют инфракрасное излучение мощностью около 1 МВт и даже 1 КВт и
энергией в субмикросекундном импульсе в несколько сотен джоулей.
Электроионизационные лазеры на СО2. В электроионизационных лазерах
(ЭИЛ) пучок высокоэнергетических электронов для поддержания разряда вводится в
газовую среду.
Для ионизации газа в одном из лазерных разрядов применяют
высокоэнергетический (100-200кэВ) пучок электронов, а приложенное к газовому
объему поперечное электрическое поле ускоряет возникающие в результате
ионизации электроны, возбуждающие молекулы азота и углекислого газа.
Меняя напряженность электрического поля, можно так изменить
распределение электронов по скоростям, что накачка молекул станет наиболее
эффективной.
В работе лазер такого типа назван лазером с поддержанием ионизации
(ionized-sustained laser), а в качестве примера приведен лазер, в котором электронный
пучок с энергией 130 кэВ вводится в разрядную камеру объемом 10 л со смесью СО2,
N2, Не в соотношении 1:2:3 при давлении 105 Па. В этом случае излучаются импульсы
на основной моде с энергией до 1200 Дж (пиковая мощность 50 МВт при
длительности импульса 50 мкс) и многомодовые импульсы с энергией до 2000 Дж.
В ЭИЛ можно использовать высокие давления рабочей смеси (около 106 Па).
При таких давлениях рабочей смеси применяемы в ТЕА-лазерах методы возбуждения
для ЭИЛ непригодны (за исключением применения ионизирующего излучения от
внешнего источника плазмотронного возбуждения). Это позволяет выделить ЭИЛ в
самостоятельный класс приборов среди лазеров на СО2. Одной из главных
особенностей ЭИЛ по выходным параметрам является возможность получения
перестройки частоты в широких пределах при интенсивной лазерной генерации.
Ниже приводятся экспериментальные исследования характеристик ЭИЛ,
работающих при давлениях смеси СО2 – N2 – Не вплоть до 5 МПа.
В качестве ионизирующего излучения использовался поток электронов
энергией около 700 кэВ и плотностью тока 10-20А/см2. Длительность импульса
внешнего источника электронов составляла 10-8с. Напряжения на электроды
разрядного промежутка подавались с малоиндуктивного конденсатора емкостью 1020 пФ, заряженного до напряжения 50 кВ. Достигнутая удельная мощность излучения
составляла 106 Вт/см3 при длительности импульса генерации 10-7 с. Максимальное
значение КПД достигало 25% при соотношении СО2, N2, равном 1:2. Исследовались
также токовые, пороговые характеристики, зависимость коэффициента усиления от
давления и состава смеси, спектр излучения ЭИЛ. Анализ результатов показал, что
кинетика возбуждения рабочих уровней при высоких давлениях (до 106 Па) во многом
аналогична кинетике возбуждения уровней СО2 при низких давлениях.
Из экспериментальных данных следует, что удельная энергия, затрачиваемая
в ЭИЛ, с ростом давления увеличивается быстрее, чем ширина рабочих уровней.
Следовательно коэффициент усиления активной среды ЭИЛ может быть значительно
больше, чем в газоразрядном лазере на СО2. При этом коэффициент усиления можно
варьировать, изменяя степень ионизации рабочей смеси.
Таким образом, электроионизационные лазеры на СО2, работающие при
больших давлениях, перспективны, так как в одной лазерной системе можно получить
предельно высокий КПД, высокую удельную мощность генерации при плавной
перестройке частоты излучения.
Газодинамические лазеры. По способу предварительного возбуждения
колебательных уровней молекулы СО2 известные газодинамические лазеры (ГДЛ)
можно разбить на три типа: с тепловым, химическим и электрическим возбуждением.
Одним из методов получения инверсной населенности в газовых лазерах
является тепловой. Его реализация зависит от возможности обеспечения быстрого
нагрева или быстрого охлаждения рабочей среды. При этом должно существовать
определенное соотношение между временем релаксации населенностей уровней,
например, в трехуровневой квантовой системе и термодинамически равновесным
значением населенностей этих уровней. Наиболее распространенным
конструктивным решением ГДЛ с тепловым возбуждением может служить
реактивный двигатель.
В соответствии с конструкцией ГДЛ предварительный нагрев газовой смеси
производится в камере сгорания. Затем смесь продувается через сопло, и генерация
осуществляется
в
оптическом
резонаторе,
образованном
зеркалами,
расположенными параллельно на стенках выхлопной камеры. Такие ГДЛ
обеспечивают мощность генерации от нескольких киловатт до нескольких сотен
киловатт в непрерывном режиме. Выходная мощность 6 кВт в непрерывном режиме в
течение 10 с обеспечивается на установке, в которой сгорание горючей смеси С2Н2 –
СО – воздух с помощью воспламеняющей метановой горелки приводит к
образованию смеси, состоящей из 7,5% СО2, 91,3% N2 и 1,2% Н2О при температуре
1400 К и давлении 1,7∙106 Па. Последующее расширение смеси со скоростью 4 М (М –
число Маха) происходит через ряд сопл с высотой щели 0,08 см, сечением 3х30 см и
отношением площадей критического сечения на выходе сопла, равным ≈ 14. В
результате этого температура потока снижается до 354 К, а давление – до 8,7∙103 Па.
Расход вещества 1360 г/с. При расходе газовой смеси около 13,5 кг/с выходная
мощность лазерного излучения в многомодовом режиме 60 кВт.
К резонатору описанного лазера примыкает диффузор, служащий для
преобразования давления и скорости потока от значений 104 Па и 4 М до давления,
большего атмосферного, при меньшем числе М. Вследствие этого выброс газа
производится непосредственно в атмосферу.
Для ГДЛ с тепловой накачкой смеси СО2 – N2 – Нe среднее значение КПД
примерно 2-5%. Как показывают расчеты, эффективность преобразования тепловой
энергии в лазерное излучение может достигать 25% благодаря регенерации тепловой
энергии при замкнутом цикле.
Получение больших мощностей излучения в ГДЛ ограничено вследствие
разрушения оптических элементов. Проводилось исследование конфигурации
резонатора, обеспечивающей минимальное повреждение зеркал. Оптимальным
явилось расположение зеркал в углублении, отстоящем на 3 см от стенки сопла.
При тепловой накачке ГДЛ наряду с нагреванием в механизме возбуждения
играют существенную роль химические реакции. Оптимальное использование
химической энергии можно осуществить подбором горючего, обеспечивающим
образование возбужденных рабочих молекул как непосредственного результата
реакции горения. В связи с сильным возбуждением колебательных уровней в
пламени использование такого способа возбуждения ГДЛ обеспечит большую
генерируемую удельную мощность. Так, по предварительным оценкам при сжигании
450г вещества в этом случае выделяется энергия 2∙106 Дж и при КПД преобразования
выделяемой энергии в излучение, равном 5%, выходная мощность лазера около 100
кВт.
Разработанные системы лазеров с использованием химической реакции
взрыва, обеспечивающей образование возбужденных молекул СО2, позволяют
получать импульсы генерации длительностью 0,3с и энергией до 20 Дж при
поджигании искрой смеси СО, О2, N2 и Н2. В качестве горючего в них используют
также ацетилен, пропан. В отличие от ГДЛ непрерывного действия в этих ГДЛ накачка
взрывом исключает необходимость в компрессоре.
При использовании ГДЛ с химической накачкой взрывных реакций состав
исходной смеси подбирают таким образом, чтобы рабочая газовая смесь СО2, N2, Н2О
обладала оптимальным соотношением компонент.
В таких ГДЛ используется преобразование энергии химических связей в
индуцированное излучение при чисто химическом смешивании реагирующих газов.
Примером может служить химическая реакция при смешивании DF (или HF) с СО2, в
которой серия уровней молекулы DF совпадает с верхним лазерным уровнем
молекулы СО2.
Электрический метод возбуждения ГДЛ используется в так называемом
электроаэродинамическом лазере. В отличие от рассмотренного выше типа
возбуждения верхнего лазерного уровня рабочих молекул возбуждение этого типа
происходит не в камере сгорания, а уже в сопле при резонансной передаче энергии от
молекул N2, нагреваемых предварительно до высоких температур мощным
электрическим разрядом. В сопле одновременно происходит быстрое расширение
рабочей смеси, получаемой перемешиванием равновесных газовых потоков.
ГДЛ с электрическим возбуждением обладают большим КПД, чем ГДЛ с
тепловым возбуждением. Кроме того, в ГДЛ с электрическим возбуждением
(например, с использованием дуговых или высокочастотных плазмотронов) можно
применять рециркуляцию, что существенно повышает эффективность системы с
замкнутым циклом.
Химические лазеры. Лазер, работающий на инверсии населенностей,
созданной прямо или косвенно в ходе экзотермической химической реакции,
называют химическим.
В химическом лазере И. Каспера и Г. Пиментела реакцию типа H + Cl2 → HCl +
Cl инициировали с помощью фотолиза. При давлении смеси ионов 400 – 2100 Па
были получены импульсы излучения длительностью около 10 мкс, энергией 2∙10-2Дж.
Затем появились лазеры, где были использованы возбужденные молекулы СО и HF.
В лазере на СО2 происходит процесс передачи колебательной энергии от
возбужденной молекулы HCl к молекуле СО2 с превращением одного кванта
колебательной энергии двухатомной молекулы в два колебательных кванта
многоатомной молекулы по схеме HCl + CO2 ↔ HCl + CO2 + ∆E (∆E – энергия
реакции), причем источником энергии накачки были возбужденные молекулы HCl,
возникающие при химической реакции HF + Cl2. В лазере Р. Гросса обмен энергией
происходил между молекулами DF и СО2. Здесь энергия химической реакции
использовалась как для прямого возбуждения активных молекул в лазере, так и для
возбуждения молекул другого газа, передающего затем энергию активным
молекулам.
Молекулярные лазеры других типов. Лазерная техника с использованием
различных активных газов позволяет перекрывать ультрафиолетовый, видимый и
инфракрасный диапазоны спектра (мкм): N2 – 0,3371, Co – 5, N2O – (10,5-11), H2O –
28; 78; 118, HCN – 311; 337.
Молекулярный лазер на СО (λ≈5мкм) имеет ряд преимуществ по сравнению с
другими молекулярными лазерами:
 эффективное преобразование электрической энергии в колебательную
энергию молекул;
 легкость достижения инверсии населенностей колебательных энергетических
уровней вследствие ангармоничности колебаний молекул;
 высокий квантовый выход;
 медленную релаксацию от колебательных к поступательным состояниям
(процессы типа ν - Т) и быструю релаксацию колебательных состояний
(процессы типа ν - ν).
Указанные преимущества позволили создать непрерывный лазер на СО с КПД
до 47% при обычной схеме питания и с КПД до 65% при возбуждении разряда с
помощью электронной пушки. Около 80% энергии электронов в газовом разряде
может перейти в колебательную энергию молекул СО при условии поддержания
средней температуры электронов в разряде около 2∙104 К. Средняя температура
существенно влияет на передачу энергии от электронов к молекулам.
Возможности лазера на СО можно оценить на примере лазера с объемом
лазерного вещества около 10-3 м3. Он может в режиме квазигигантских импульсов
генерировать излучение мощностью 100 кВт. При импульсном возбуждении энергия
луча достигает 200 Дж.
Источник: Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов:
Справочник/Н.Н.Рыкалин, А.А.Углов, И.В.Зуев, А.Н.Кокора. – М.:Машиностроение,
1985. – 496 с., ил.