Газовые лазеры СО2 лазер

с
длинами волн 10.6 мкм и 9.6 мкм

Величина первого колебательного кванта молекулярного азота (V=1→V=0)
отличается от энергии уровня 0001 на 18 см-1.
Состояние N2 (V=1) является метастабильным

В разряде протекают следующие процессы:

Также происходит столкновительная передача энергии в процессах:

с последующим столкновением молекул углекислого газа друг с другом:

Далее происходит
излучательная релаксация в одно из состояний 1000 или 0200

Состояние 1000 очень быстро безызлучательно релаксирует в состояние 0200

Скорость безызлучательной релаксации состояния 0200 в состояние 0110
велика при столкновениях с гелием. Состояние 0110 так же быстро в
столкновениях с гелием безызлучательно релаксирует в основное состояние

Газовая смесь в СО2-лазере трехкомпонентная: генерация происходит на
переходах молекулы СО2, N2 используется для накачки верхнего лазерного
уровня, а гелий используется для опустошения нижних лазерных уровней
Характерные соотношения компонентов смеси СО2: N2:He=1:1:8 при
полном давлении порядка 10-15 Торр

Вероятность перехода 0001→1000 выше, чем вероятность перехода
0001→0200. Поэтому в обычном режиме СО2-лазер будет генерировать на
длине волны 10.6 мкм

поддерживается газовый разряд

2. Гелий отличается высокой теплопроводностью, что позволяет
эффективно охлаждать зону разряда: при высоких температурах происходит
заселение состояния 0110

3. При больших концентрациях гелия заметно снижается степень
диссоциации молекул СО2 при их столкновениях с электронами

Вращательная структура

Каждое колебательное состояние характеризуется набором вращательных
уровней. Вследствие этого генерация может происходить на целом ряде
колебательно-вращательных переходах, образуя в спектре излучения лазера
так называемые P- и R-ветви

При фиксированной температуре максимальная населенность достигается
для определенного номера вращательного уровня J (J=20 при рабочей
температуре) - генерация возникает на соответствующем переходе

различных температурах

продольным разрядом

лазеры с продольной быстрой прокачкой и
продольным разрядом

отпаянные лазеры

лазеры с поперечной прокачкой

ТЕА-лазеры

волноводные лазеры

газодинамические лазеры

прокачка используется для удаления продуктов диссоциации

- длина резонатора порядка 1 м
- выходная мощность излучения примерно 50 Вт/м в непрерывном режиме
- давление газовой смеси p не превышает 10-15 Торр
- диаметр трубки d=1-2 см
- имеется оптимальная величина pd

Ширина линии преимущественно доплеровская (около 50 МГц),
при давлениях порядка 25-30 Торр столкновительная ширина становится
сравнимой с доплеровской

Лазер работает преимущественно на одной продольной моде,
использование селективных устройств позволяет дискретно перестраивать
длины волн генерации по разным колебательно-вращательным переходам
Охлаждение водяное

Имеется оптимальная величина плотности тока: увеличение плотности
тока приводит к нагреву газа, что увеличивает населенность нижних
лазерных уровней и коэффициент усиления

выходную мощность излучения, определяемую
максимально допустимой плотностью тока

Уносимая смесь газов охлаждается в специальном теплообменнике и
проходит химическую очистку

В таких лазерах удается получить выходные мощности излучения до
нескольких кВт в непрерывном режиме

Лазеры с продольной быстрой прокачкой и продольным разрядом

Можно получать большие давления газовой смеси и, как следствие,
большую выходную мощность (десятки кВт)

Лазеры с продольной быстрой прокачкой и продольным разрядом

диссоциацию молекул СО2 на молекулы СО -
добавление атомарного водорода (приблизительно 1%). Молекула СО2 в
результате диссоциации распадается на СО и кислород, который,
соединяясь с водородом, образует пары воды. Пары взаимодействуют с
окисью углерода, восстанавливая ее до двуокиси углерода

Выходные характеристики мало отличаются от лазеров с медленной
прокачкой

ТЕА-лазеры

Существенное увеличение мощности излучения за счет перехода от
непрерывного режима генерации к импульсному:
увеличение давления смеси до атмосферного и более
включение разряда в поперечном направлении в виде короткого импульса