Исследование гелий-кадмиевого лазера (лабораторная работа), страница 3

                                             7                   7

Рис. 1.2. Схема He–Cd-лазера: 1 – зеркала резонатора; 2 – выходные окна;

3 – конденсационные ловушки паров кадмия; 4 – подогреватели испарителя;

5 – испарители  кадмия;    6 –  разрядный капилляр; 7 – электроды (катод, анод)

Наряду с возбуждением активной среды за счет ионизации Пеннинга наличие гелия под давлением в сотни паскалей обеспечивает оптимальную, с точки зрения выхода индуцированного излучения, температуру электронов T_e, поддерживает разряд на участках, не содержащих паров кадмия. К таким участкам относятся промежутки между испарителями и электродами. Кроме того, гелий устраняет диффузионный разлет паров Cd из нагретых зон, ослабляя процесс конденсации паров на холодных оптических элементах, и обеспечивает приемлемый для практи­ки срок службы газоразрядной трубки лазера. Целям защиты оптики служат и имеющиеся на пути паров Cd расширения – конденсационные ловушки. He–Cd-лазер обладает тепловой инерционностью, обусловленной необходимостью создания рабочей плотности паров кадмия. Совместно с тепловой инерционностью оптического резонатора, изменяющего свою геометрию под действием тепла, выделяющегося в разрядной трубке, это свойство приводит к существенному дрейфу средней мощности излучения в начальный период после включения лазера.

График энергетической (выходной) характеристики He–Cd-лазера – зависимости выходной мощности Р от тока разряда I – имеет максимум. Возрастающий участок обусловлен ростом концентрации возбуждающих частиц n_e – электронов, насыщение и спад – девозбуждением верхних ионных лазерных уровней электронами при интенсивном росте n_e. С ростом тока разряда усиливается также нагрев разрядного канала и испарителя Cd.

 Существенное влияние на выходную мощность He–Cd-лазера оказывает температура T_Cd испарителя, определяющая давление паров Cd в положительном столбе разряда. Первоначально рост концентрации n_Cd по мере повышения температуры испарителя сопровождается возрастанием выходной мощности из-за увеличения числа излучающих частиц Cd^+*. Дальнейшее увеличение концентрации легкоионизируемого Cd приводит к снижению электронной температуры T_e и градиента потенциала E_z = f(T_e) в положительном столбе. Механизм температурного снижения энергии электронов состоит в том, что по мере увеличения n_Cd растет и число ионов Cd⁺, вовлекаемых в процесс компенсации отрицательного объемного заряда электронов в плазме. Легкоионизируемые пары Cd (энергия ионизации W_i = 9 эВ) подменяют ионы He⁺, имеющие W_i = 24,5 эВ. В результате, требуемая для поддержания разряда энергия W_e = kT_e электронов падает, снижается T_e и уменьшается эффективность возбуждения гелия. Соответственно, снижается и скорость накачки верхнего лазерного уровня Cd^+*, а значит, падает генерируемая мощность P. Встречные тенденции в поведении температурной зависимости мощности излучения P = f (T_Cd) приводят к существованию оптимальной температуры T_opt = 450…500 K. На практике температура испарителя Cd на 40…50 % определяется разрядным током лазера. Остальной вклад в нагрев определяет электрический ток нагревателя испарителя кадмия.