Импульсные CO2 лазеры
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт физики высоких технологий
Направление 200400 «Оптотехника»
Кафедра экономики
Импульсные CO2 лазеры
Курсовая работа по основам квантовой электронике
Студент группы 4В00 И.С. Макогон
Томск 2013г.
Содержание
Введение
.История развития
2.Механизм создания инверсии
.Тлеющий разряд
.Системы газоразрядной предионизации
5.Основные элементы импульсного лазера
6.Применение импульсных CO2 лазеров
Заключение
Введение
По введенной классификации СО2 лазеры - молекулярные газовые лазеры с накачкой электрическим разрядом, способные работать в любом из трех указанных режимах - непрерывном, импульсном и частотно-импульсном. Активная среда таких лазеров представляет собой смесь газов, принципиально важными компонентами которой служат молекулы СО2 и азота N2. Лазерный эффект обеспечивается молекулами двуокиси углерода, а удивительные свойства молекул азота, как будет показано дальше, позволяют эффективного задействовать молекулы СО2 в электрическом разряде, обеспечивающим накачку лазерной среды. Электрический разряд создает плазму, которая и является активной лазерной средой. Существуют разные типы электрических разрядов, но не каждый из них пригоден для создания активной среды СО2 лазера.
Целью данной курсовой работы является - изучение импульсного CO2 лазера.
.История развития
Развитие мощных импульсных СО2 лазеров началось после того, как в конце 1969 года двумя группами исследователей, одна - в Канаде, другая - во Франции, была реализована идея разделения процессов ионизации и возбуждения молекул в тлеющем разряде. В отличие от режима непрерывной генерации, в случае импульсных лазеров достаточным оказалось осуществить предионизацию разрядного промежутка, не заботясь о дальнейшем. Обе группы использовали для предионизации вспомогательный разряд, с некоторым опережением ионизующий разрядный промежуток перед тем, как в нем возникнет основной разряд. Но без такой предионизации основной разряд возникнуть не может, поскольку приложенного к электродам напряжения недостаточно для пробоя разрядного промежутка. Импульсные лазеры с вспомогательным разрядом получили в англоязычной литературе название TEA лазеров. Аббревиатура расшифровывается так: transversally excited at atmospheric pressure (поперечное возбуждение при атмосферном давлении).
Импульсные лазерные системы проще, чем непрерывные, решают проблему генерации высокоэнергичных импульсов излучения, поскольку длительность импульсов, как правило, намного короче времени развития тепловых процессов в активной среде. Все это вместе с высоким к.п.д., присущим СО2 лазерам, позволило достичь в таких системах энергий в импульсе до нескольких сотен килоджоулей. Кроме газоразрядных, или ТЕА лазеров, создана и другая их разновидность - электроионизационные импульсные лазеры, в которых ионизация осуществляется электронным пучком, а разряд, соответственно, является несамостоятельным.
2.Механизм создания инверсии
На рис. 1. приведены схемы энергетических уровней основных электронных состояний молекул СО2 и N2. Поскольку N2 - двухатомная молекула, она имеет лишь одну колебательную моду. На рисунке показаны два нижних уровня (v = 0, v = 1). Структура энергетических уровней молекулы СО2 более сложная, поскольку эта молекула является трехатомной.
Рис. 1.
Три фундаментальные колебательные моды молекулы СO2: (v1) симметричная валентная мода, (v2) деформированная мода, (v3) асимметричная валентная мода
Здесь мы имеем три невырожденных колебательных мод: 1) симметричную валентную моду - v1; 2) деформационную моду - v2; 3) асимметричную валентную моду - v3. Поэтому колебания молекулы описываются тремя квантовыми числами п1, п2 и п3, которые определяют число квантов в каждой колебательной моде. Таким образом, соответствующий уровень обозначается этими тремя квантовыми числами, записываемыми в последовательности п1, п2, п3. Например, уровень 0110 соответствует колебанию, деформационная мода (мода 2) которого имеет один колебательный квант. Поскольку из трех типов колебаний моде 2 соответствует наименьшая постоянная упругости (колебания являются поперечными), рассматриваемый уровень имеет наименьшую энергию.
Генерация происходит на переходе между уровнями 00°1 и 10°0 (λ ≈ 10,6 мкм), хотя можно получить генерацию также и на переходе между уровнями 00°1 и 02°0 (λ ≈ 9,4…9,6 мкм).
Рис. 2. Нижние колебательные уровни основного электронного состояния молекул N2 и СО2 (для простоты здесь не показаны вращательные уровни)
Накачка на верхний лазерный уровень 00°1 происходит очень эффективно благодаря следующим двум процессам:
1.Непосредственные столкновения с электронами. Очевидно, основной тип непосредственного столкновения, который следует рассмотреть, имеет вид е + СО2(000) → е + СО2(001). Сечение столкновения с электроном для данного процесса очень велико и намного превышает соответствующее сечение возбуждения уровней 100 и 020.
2.Резонансная передача энергии от молекулы N2. Этот процесс имеет также большую эффективность благодаря тому, что разница энергий между возбужденными уровнями двух молекул невелика (ΔЕ = 18 см-1). Кроме того, очень эффективным является процесс возбуждения молекулы N2 из основного состояния на уровень v = 1 при столкновениях с электронами, причем уровень v = 1 является метастабильным. Рассмотрим теперь следующий вопрос, а именно релаксацию верхнего и нижнего лазерных уровней. Релаксация указанных уровней в большей мере определяется столкновениями. В соответствии с этим время релаксации верхнего лазерного уровня τs можно определить по формуле
l/τs = Σаipi, (1)
где рi - парциальные давления; ai - постоянные, характеризующие каждую компоненту газовой смеси в разряде. Так, для полного давления смеси - 15 мм рт.ст. (при парциальных давлениях СО2:N2:He в отношении 1:1:8) мы находим, что время жизни верхнего лазерного уровня τs ≈ 0,4 мс. Что касается скорости релаксации нижнего уровня, то за счет околорезонансных процессов столкновения с молекулами СО2 в основном состоянии уровни 10°0 и 02°0 эффективно взаимодействуют с уровнем 01'0(VV-релаксация):
СО2(10°0) + СО2(00°0)→ СО2(0110) + СО2(0110) +ΔЕ, (2)
СО2(02°0) + СО2(00°0) → СО2(0110) + СО2(0110) + ΔЕ'. (3)
Вероятность этих двух процессов очень большая, поскольку ΔЕ и ΔЕ' много меньше kT. Следовательно, населенности трех уровней 10°0, 02°0 и 0110 достигают теплового равновесия за очень короткое время. Релаксация с уровня 01'0 может происходить только путем передачи этой энергии в энергию поступательного движения сталкивающихся частиц (VT-релаксация). При этом наиболее эффективно этот процесс происходит с более легкими атомами, т. е. гелием. При тех же давлениях время жизни составляет около 20 мкс. То есть это значение времени жизни нижнего лазерного уровня. За счет того, что время жизни верхнего лазерного состояния намного больше, населенность будет накапливаться на верхнем лазерном уровне и условие непрерывной генерации также выполняется. Заметим, что наличие гелия приводит и к другому важному эффекту. За счет высокой теплопроводности гелия поддерживается низкая температура СО2, при этом тепло отводится к стенкам газоразрядной трубки. Низкая температура поступательного движения СО2 необходима для того, чтобы избежать заселения нижнего лазерного уровня за счет теплового возбуждения, поскольку разность энергий между уровнями в действительности сравнима с kT. Таким образом, благоприятное воздействие, которое оказывают на лазер N2 и Не, объясняется тем, что N2 способствует заселению верхнего лазерного уровня, а Не - обеднению нижнего.
Из представленного выше примера ясно, что генерация в СО2-лазере может осуществляться на переходе либо (00°1) → (10°0) (λ = 10,6 мкм), либо (00°1) → (02°0) (λ = 9,6 мкм). Поскольку сечение первого перехода больше, а верхний уровень один и тот же, генерация, как правило, происходит на переходе 00º1 → 10º0. Для получения генерации на линии 9,6 мкм в резонатор, для подавления генерации на линии с наибольшим усилением, помещается соответствующее частотно-селективное устройство. Поскольку каждый колебательный уровень имеет еще вращательные уровни, то в СО2-лазере генерация фактически происходит на колебательно-вращательном переходе молекулы.
3.Тлеющий разряд
В технических устройствах и в научных исследованиях используются разряды различных типов, отличающиеся давлением газа, силой разрядного тока, условиями отвода тепла и другими характеристиками. Для создания в разряде инверсной населенности (для лазерной накачки) необходим разряд особого типа. В случае смеси двух газов - СО2 и N2 - пригодным для этих целей стал тлеющий разряд, самоподдерживающийся разряд с холодным катодом. Характерный признак тлеющего разряда - наличие в нем области катодного падения напряжения, в которой образуется большой по величине объемный положительный заряд.
Протяженность этой области порядка нескольких сантиметров, и на этом участке падение напряжения достигает значений от примерно 100 до 400 В и больше. Если расстояние между катодом и анодом меньше того, которое необходимо для образования катодной области, то разряд не возникает. При расстояниях между электродами от 10 см и выше за областью катодного падения образуется положительный столб, отделяемый от анода относительно узкой областью анодного падения напряжения.
Для накачки СО2 лазеров используется положительный столб тлеющего разряда. Он представляет собой слабо ионизованную плазму, поддерживаемую внешним электрическим полем. Тлеющий разряд может существовать при давлениях газа от 10- 2 до 10 тор и разрядных токах, не превышающих ~10-1 А. При очень низких токах или давлениях вместо него образуется так называемый темный таунсендовский разряд. Превышение током или давлением указанных верхних пределов, как видно из графика на рис. 3, переводит тлеющий разряд в дуговой разряд, протекающий уже не при холодном, а при горячем катоде. Дуговой разряд неприемлем для накачки СО2 лазеров.
Рис. 3. 1-область темного таунсендовского разряда; 2 - переход к тлеющему разряду; 3 - нормальный тлеющий разряд; 4-аномальный тлеющий разряд; 5 - переход к дуговому разряду; 6 - дуговой разряд.
В тлеющем разряде выше давления 100 мм рт. ст. и при обычно используемых плотностях тока возникают неустойчивости, которые приводят к образованию дуги в объеме разряда. Для преодоления этого осложнения к электродам, между которыми происходит поперечный разряд, прикладывают импульсное напряжение. Если длительность импульса достаточно мала (доля микросекунды), то неустойчивости в разряде не успеют развиться и, следовательно, рабочее давление газа можно повысить вплоть до атмосферного и выше. Для предотвращения дугового разряда используется также тот или иной тип предыонизации, которая предшествует возбуждающему импульсу напряжения.
Рис. 4
4.Системы газоразрядной предионизации
Главное требование к системам газоразрядной предионизации - возможность с их помощью создать в активной среде такую степень начальной ионизации, которая обеспечит последующее развитие основного разряда при значениях Е/р, наиболее благоприятных для избирательного возбуждения верхнего лазерного уровня 00о1 молекулы СО2. Концентрация электронов, удовлетворяющая такому условию, лежит в пределах от 108 до 1011 см-3, но желательно сделать ее как можно ближе к верхнему значению. В процессе протекания основного разряда предионизатор участия не принимает. Наибольшее распространение получили предионизаторы, использующие вспомогательный разряд одного из следующих типов:
·Коронный разряд, обычно образуется между острием или тонкой проволокой, находящимися под высоким напряжением, и заземленным электродом. Коронный разряд неравновесен, при холодном газе электронная температура достигает нескольких электрон-вольт. Такой разряд интенсивно излучает в УФ области спектра, вызывая фотоионизацию газа. Упрощенно устройство лазера с предионизацией коронным разрядом показано на рис. 4. С обеих сторон разрядного промежутка параллельно основным электродам натянуты две тонкие проволочки, обозначенные на рисунке КР. К основным электродам подведено напряжение более низкое, чем необходимо для пробоя разрядного промежутка. Напряжение между проволочками и заземленным основным электродом достаточно для развития с каждой стороны промежутка коронного разряда.
·Создаваемое при этом УФ излучение ионизует разрядный промежуток, и в нем развивается основной разряд, обеспечивающий возникновение импульсной лазерной генерации. От системы предионизации требуют организации высокой однородности начальной концентрации электронов в разрядном промежутке. Это необходимо для получения стабильного и эффективного основного разряда при атмосферном давлении газовой смеси. Предионизационная система, использующая коронный разряд, создает однородную ионизацию только при относительно малых поперечных сечениях разрядного промежутка, поскольку ультрафиолетовое излучение активно поглощается в газе и при больших сечениях центральные области разрядного промежутка оказываются непроработанными. Это накладывает серьезные ограничения на применение таких систем.
·Множественные искровые разряды. Предионизатор такого типа широко используется во многих лазерных системах средней мощности. Система множественных искровых разрядов создана Ричардсоном в 1973 году. На рис. 5 приведена электрическая схема предионизатора этого типа. Анод основного разрядного промежутка выполнен в виде сетки из нержавеющей стали, натянутой между изоляторами. Под сеткой расположены игольчатые электроды, например, в 6 рядов по 100 иголок в каждом ряду. Основной разряд формируется с использованием высоковольтной импульсной системы питания, работающей на базе двухкаскадного генератора Маркса с удвоением напряжения источника питания.
Рис. 5
Накопительные емкости Сs = 0,1 мкФ заряжаются от высоковольтного выпрямителя до номинального напряжения. Триггерный разрядник Р1 после подачи на его управляющий электрод запускающего импульса пробивается и переключает конденсаторы Сs из параллельного в последовательное соединение. В результате неуправляемые разрядники Р2 и Р3 оказываются под удвоенным напряжением, вызывающим их пробой и подведение напряжения к основным электродам и к вспомогательному разрядному промежутку между иголками и анодом. Подведенного напряжения недостаточно, чтобы пробить основной разрядный промежуток, но хватает для появления множественных искровых разрядов между иголками и анодом.
Искровые разряды создают интенсивное УФ излучение, производящее фотоионизацию разрядного промежутка. Если уровень ионизации будет достаточно высоким, то в основном промежутке лавинообразно протекает импульс основного разряда между катодом и анодом. Тем самым создаются условия для проявления лазерного эффекта. При участии такой системы предионизации удается вложить в активную среду энергию, превышающую 300 Дж/л. А так как к.п.д. преобразования вложенной энергии в лазерное излучение в среднем составляет 10%, то активная среда генерирует излучение на уровне 30 Дж/л.
Предионизация барьерным разрядом. Барьерным называют разряд, который протекает через диэлектрик за счет токов смещения. Такая форма разряда может существовать только в режиме коротких импульсов. Один из вариантов схемы предионизации барьерным разрядом представлен на рис. 6 .
Рис. 6
Основной разрядный промежуток расположен между катодом (К) и анодом (А). В устройстве, рассматриваемом на рисунке, анод и катод представляют собой дюралюминиевые пластины. В теле катода фрезеруются поперечные пазы, в которые уложен тонкий провод в надежной изоляции (пи).
Источник питания заряжает накопительные емкости С1 и С2, которые первоначально соединены параллельно. Подача на триггерный разрядник Р1 запускающего импульса напряжения вызывает пробой разрядника, что ведет к переключению емкостей из параллельного в последовательное соединение. Это двухкаскадная схема Маркса. Напряжение на накопительной батарее удваивается, и это приводит к пробою неуправляемого разрядника Р2. В результате между анодом и катодом появляется напряжение, но его величина недостаточна для пробоя газа в разрядном промежутке. Однако через разделительную емкость С3 то же напряжение прикладывается между вспомогательным проводом (пи) и катодом. Через изоляцию провода проходит ток смещения и над катодом возникает диффузный разряд, создающий ультрафиолетовое излучение, способное осуществить фотоионизацию разрядного промежутка. Это и есть разряд барьерного типа, он как бы покрывает собой всю поверхность катода. Длительность такого разряда не превышает десятков наносекунд, но этого достаточно, чтобы создать необходимую начальную ионизацию. Тогда напряжение, приложенное к основным электродам, оказывается достаточным, чтобы вызвать протекание разрядного тока в ионизованном основном промежутке и произвести импульс накачки активной среды.
Описанная система предионизации оказалась эффективной, с ней получены съемы когерентного излучения от 30 до 50 Дж/см3 при к.п.д. до 15%. Для повышения эффективности предионизации в рабочую газовую смесь вводились в виде небольших добавок легкоионизуемые вещества. Для предионизации активной среды импульсных СО2 лазеров используются также и некоторые другие виды вспомогательных разрядов, например, поверхностные разряды на диэлектрике, но они не получили широкого распространения.
5.Основные элементы импульсного лазера
Типичный импульсный электроразрядный (ТЕА) СО2 лазер состоит из элементов, показанных на блок-схеме рис. 7. При всем разнообразии в устройстве каждого такого элемента, общая схема остается практически неизменной.
Рис. 7 Элементы: 1- электроразрядная кювета; 2- оптический резонатор; 3- источник питания; 4- блок управления; 5- система газообеспечения и прокачки газа; 6- комплекс приборов для измерения выходных параметров лазерного излучения.
· Кювета и электроды.
Герметичная газоразрядная кювета (1) изготовлена из стеклопластика. Кювета может быть изготовлена и из других диэлектрических материалов, например, из специальных пластмасс, в некоторых случаях ее изготавливают из металла. Но металлическая кювета требует создания на ее внутренних стенках прочного изоляционного покрытия, способного противостоять напряжениям порядка сотни кВ. Кроме того, металлическая кювета требует применения громоздких проходных изоляторов, обеспечивающих подачу высоковольтного напряжения от источника питания на электроды. Диэлектрическая кювета снимает эти усложняющие конструктивные проблемы.
При работе в режиме одиночных импульсов нет необходимости в прокачке газа через разрядный промежуток, поскольку тепловые процессы развиваются уже после того, как завершен разрядный импульс. Активная часть объема кюветы состоит из суммы объемов разрядных зон каждой секции. Общий объем внутренней полости кюветы, заполняемый газовой смесью, в 3-4 раза превышает активный объем. Это позволяет длительное время компенсировать протекающий в разряде процесс диссоциации молекул СО2, восполняя потери за счет запаса свежего газа. В результате удается осуществить около сотни импульсов генерации, прежде чем выходная мощность излучения снизится более чем на 10% от исходных значений. После этого производится смена газовой смеси в кювете.
·Оптический резонатор
Это зеркала. Они бывают либо полностью непрозрачными («глухие»), либо частично прозрачными (выходное зеркало). Глухие зеркала изготавливаются из металла, чаще всего это медь, или из специальной подложки, на которую напыляется слой, отражающий не менее 95% падающего излучения. Подложка в этом случае выбирается такой, чтобы она способствовала интенсивному охлаждению отражающего слоя. Выходные зеркала для СО2 лазеров изготавливаются из монокристаллов, пропускающих определенную часть излучения на длине волны этого лазера и отражающих почти всю остальную часть излучения. Как правило, для задания нужных коэффициентов пропускания и отражения, на поверхности пластины из монокристалла напыляют либо просветляющие, либо отражающие интерференционные покрытия.
Рис. 8. А - устойчивый резонатор; Б - неустойчивый резонатор; 1 - кювета лазера; 2 - "глухое" зеркало; 3 - выходное зеркало.
В случае неустойчивого резонатора (Б) оба зеркала «глухие». Заднее зеркало обычно имеет вогнутую сферическую отражающую поверхность, а переднее выходное зеркало - выпуклую поверхность. Выходное зеркало затеняет всю центральную часть луча и его сечение имеет форму «бублика». Несмотря на неудобства, связанные с особой формой сечения луча, неустойчивые резонаторы широко применяются в мощных лазерах. Одна из причин - высокая лучевая стойкость металлических зеркал.
·Источник электропитания.
Первичный источник электропитания - стандартная сеть напряжением 220 или 380 В. Далее следуют такие элементы: 1) регулятор напряжения; 2) высоковольтный трансформатор; 3) высоковольтный выпрямитель; 4) блок формирования и коммутирования импульса электропитания (БФИ); 5) элементы цепи питания.
Центральный элемент схемы - БФИ. Поскольку электродная система разделена на четыре независимые секции, то и БФИ разделен на такое же число секций, каждая из которых собрана по схеме, представленной на рис. 6. Каждая секция питания подключена к одной электродной секции. Секционированное электропитание вместе с секционированной электродной системой позволяет, во-первых, существенно снизить токовые нагрузки на элементы БФИ; во-вторых, использовать различные варианты совместного или раздельного запуска секций, что расширяет возможности использования лазера. Например, при работе на пониженных энергиях в импульсе нет необходимости использовать все секции лазера, можно включить только одну, или две, или три секции в соответствии с потребностью.
Запуская секции не совместно, а поодиночке с некоторым интервалом, можно создавать пакеты импульсов от 2-х до 4-х. Конечно, при этом энергия в каждом импульсе существенно ниже, чем при синхронном запуске всех секций. Серьезная проблема, возникающая при проектировании БФИ, состоит в возможностях комплектования схемы накопительными конденсаторами и высоковольтными разрядниками. В рассматриваемой схеме, в частности, использованы малоиндуктивные конденсаторы на напряжение 100 кВ, емкость которых С1 = С2 = 0,5 мкФ. Конденсаторы такого типа стоят дорого и создают трудности, связанные с их габаритами и весами. Что же касается управляемого (Р1) и неуправляемого (Р2) разрядников, то при работе в режиме одиночных импульсов успешно используются открытые воздушные разрядники специальной конструкции. При этом обеспечивается точность синхронного срабатывания разрядников всех четырех секций на уровне наносекунд. Более надежными считают разрядники закрытого типа, наполняемые азотом до давлений в несколько атмосфер.
·Газоснабжение кюветы включает:
) блок откачки отработанной газовой смеси: с этой задачей успешно справляется производительный форвакуумный насос;
) баллоны, наполненные газами, необходимыми для создания рабочей смеси (СО2, N2, He);