Принцип действия CO₂-лазеров
Лазеры на углекислом газе (CO₂-лазеры) относятся к газовым лазерам с непрерывным или импульсным режимом работы, излучающим в инфракрасной области спектра с характерной длиной волны 10,6 мкм. В основе генерации лежит индуцированное излучение при переходе молекулы CO₂ между колебательными уровнями, причем активная среда представляет собой газовую смесь, содержащую диоксид углерода, азот и гелий. В некоторых модификациях добавляют водяной пар или водород для повышения эффективности.
Механизм возбуждения CO₂-лазера основан на резонансной передаче энергии от возбужденных молекул N₂ к молекулам CO₂. Азот, обладая низкой вероятностью радиационного распада возбужденного состояния, эффективно накапливает энергию, полученную от электрического разряда, и передает её CO₂ через соударения, резонансно возбуждая асимметричный валентный колебательный уровень (001) молекулы CO₂.
Основные лазерные переходы происходят с уровня (001) на (100) и (020), что соответствует излучению с длинами волн около 10,6 мкм и 9,6 мкм соответственно. На практике чаще используется линия 10,6 мкм как наиболее интенсивная и стабильная.
Состав активной среды
Типичный состав активной смеси:
Гелий выполняет несколько функций: способствует охлаждению активной среды, увеличивает теплопроводность, ускоряет релаксацию нижнего лазерного уровня (100), что способствует инверсии населения, а также увеличивает стабильность разряда. Азот — эффективный энергетический донор, а CO₂ — непосредственно излучающий компонент.
Для повышения эффективности и долговечности работы используются проточные схемы, а также системы рециркуляции газа. В мощных установках применяется охлаждение водой или жидким азотом.
Типы разрядов и способы накачки
В CO₂-лазерах применяется в основном электрический разряд постоянного тока или переменного тока высокой частоты. В зависимости от конструкции используются:
Существуют также лазеры с химической накачкой (например, HF/DF-лазеры), однако к СО₂-лазерам они отношения не имеют.
Конструкция резонатора и формирование пучка
Для генерации когерентного излучения необходим резонатор с высокой добротностью, формируемый зеркалами. Обычно применяется:
Для фокусировки и формирования гауссового пучка используются вогнутые зеркала или внутренние оптические элементы. В волноводных СО₂-лазерах часто используются диэлектрические направляющие с металлическими покрытиями.
Управление модой пучка (TEM₀₀) обеспечивается с помощью апертурных диафрагм, зеркал с радиусом кривизны, фазовых корректоров и селекторов мод. Стабильность резонатора критична для обеспечения однородности излучения и предотвращения многомодового режима.
Спектральные особенности и управление длиной волны
CO₂-лазер обладает богатым спектром, состоящим из множества линий из-за переходов между различными колебательно-ротационными уровнями. Это позволяет перестройку длины волны в пределах примерно от 9,2 до 10,8 мкм. Для выбора конкретной линии используются:
Перестраиваемые СО₂-лазеры особенно важны в спектроскопии и газоанализе, где точная селекция длины волны позволяет работать с конкретными поглощающими компонентами среды.
Характеристики и параметры
CO₂-лазеры могут обладать следующими характеристиками:
Импульсные системы могут обеспечивать пиковые мощности в диапазоне сотен мегаватт, особенно в лазерах с поперечным разрядом и системой быстрого перезаряда.
Области применения
CO₂-лазеры нашли широчайшее применение благодаря высокой мощности, эффективности и надежности. Основные области:
Высокая проникающая способность инфракрасного излучения и минимальное рассеяние в атмосфере также делают СО₂-лазеры подходящими для дистанционных измерений и телеметрии.
Особенности эксплуатации и охлаждения
Высокая тепловая нагрузка требует эффективных систем охлаждения. В маломощных лазерах применяется воздушное охлаждение, в мощных — жидкостное, зачастую с замкнутым контуром. Тепло, выделяемое на электродах и в активной среде, должно отводиться для поддержания стабильности режима генерации.
Кроме того, необходимо поддерживать чистоту газа: наличие примесей (например, кислорода, углеводородов) резко снижает срок службы. В промышленных лазерах используются системы фильтрации и замены газа.
Преимущества и ограничения CO₂-лазеров
Преимущества:
Ограничения:
Тем не менее, сочетание высокой эффективности, стабильности и доступности сделали CO₂-лазеры одними из наиболее широко используемых в различных сферах физики, инженерии и техники.