Активный элемент отпаянного СО2-лазера конструктивно представляет собой стеклянную или кварцевую разрядную трубку диаметром от долей до 2 ... 3 см и длиной от десятых долей до нескольких метров. Трубка окружена рубашкой водяного охлаждения, вокруг которой коаксиально располагается балластный объем, соединенный с разрядным каналом. Балластный объем увеличивает общий запас газа, снижая тем самым степень влияния диссоциации молекул СО2 в разряде на стабильность состава активной среды. Этой же цели служат катализаторы восстановительной реакции 2СО + О2 = 2 СО2, например таблетки закиси меди, располагаемые в катодной области. Выходные окна и подложки зеркал изготавливаются из материалов, прозрачных для инфракрасного излучения: германия, арсенида галлия, селенида цинка. Необходимый коэффициент отражения рабочего зеркала обеспечивается нанесением на подложку диэлектрических четвертьволновых слоев с чередующимися большим и малым показателями преломления. Нерабочее, “глухое” зеркало изготавливается в виде алюминиевого или медного покрытия, нанесенного на металлическую или кварцевую подложки. Обычно “глухое” зеркало закрепляется на разрядной трубке неподвижно. Серьезными проблемами в мощных СО2-лазерах являются быстрая деградация и разрушение отражающих покрытий и выходных окон под воздействием собственного излучения.
Основная характеристика активной среды – линейный коэффициент усиления κус пропорционален инверсии населенностей, равной разности населенностей верхнего N2 и нижнего N1 рабочих уровней: ΔN = N2 – N1 > 0. В газовых активных средах инверсия может быть обеспечена пропусканием электрического тока через разрядный промежуток. Инверсия населенностей ΔN, а соответственно, и коэффициент усиления κус, являются нелинейными функциями мощности накачки, подводимой к активной среде. При увеличении тока разряда выше порогового возрастает эффективность возбуждения активной среды за счет роста числа возбуждающих частиц – электронов и инверсия растет. Одновременно повышается температура газовой смеси, снижающая инверсию. Действие встречных тенденций приводит к существованию оптимального тока разряда.
Влияние состава газовой среды на усилительные свойства рассматривалось ранее. Рост давления газа, первоначально сопровождающийся увеличением числа возбужденных частиц, в дальнейшем уменьшает усиление вследствие спада электронной температуры и увеличения доли спонтанного излучения. В активной среде СО2-лазеров зависимость κус от диаметра трубки слабая, так как отсутствует механизм влияния столкновений частиц со стенками на расселение нижнего лазерного уровня, как это имеет место, например в гелий-неоновом лазере. Однако рост диаметра разрядного канала ухудшает отвод тепла из приосевой области разряда к охлаждаемым стенкам.
При отсутствии входного сигнала, создаваемого потоком квантов, в активной среде оптического усилителя поддерживается определенная инверсия ΔN0, соответствующая данному уровню возбуждения. Показатель усиления, определяемый ΔN0, носит название ненасыщенного и обозначается κ0. В этих условиях уход частиц с верхнего лазерного уровня происходит лишь за счет спонтанного излучения. При появлении входного оптического сигнала в виде направленного потока квантов с энергией hν = W2 – W1, где W2, W1 – энергии верхнего и нижнего лазерных уровней, в активной среде возникает дополнительный поток квантов, обусловленный индуцированным излучением. При этом населенность верхнего уровня снижается, а нижнего – повышается, т. е. инверсия падает, и показатель усиления активной среды уменьшается. Этот процесс называют насыщением усиления. Чем выше плотность суммарного потока квантов в активной среде, тем значительнее насыщение. Для случая неоднородного характера уширения спектральных линий, что имеет место в газоразрядных лазерах, справедливо
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.