Gazli lazerlar, geliy-neon gazli lazerning ishlash prinsipi

Устройство аргонового лазера

Основным параметром, во многом определяющим выходные характеристики ионных лазеров, является плотность разрядного тока. С ростом плотности тока мощность излучения растет приблизительно пропорционально кубу тока. При увеличении плотности тока скорость возрастания мощности снижается. В режимах, близких к рабочим, эта зависимость носит примерно квадратичный характер. При дальнейшем увеличении плотности тока (600–1000 А/см²) наблюдается насыщение и далее спад, вплоть до исчезновения генерации. Спад мощности обусловлен в основном возбуждением электронами верхних лазерных уровней, пленением УФ резонансного излучения ( = 72 нм), 100% ионизацией, вытеснением газа и др.
лазер газ аргон ток

Зависимость мощности излучения аргонового лазера от плотности разрядного тока


Из-за большой плотности тока в газоразрядной трубке происходит перекачка ионов Аг ⁺по направлению к катоду, что приводит к срыву генерации. Для компенсации этого эффекта в конструкции газоразрядной трубки предусмотрена дополнительная трубка (обводной канал), обеспечивающая обратную циркуляцию газа. Для предотвращения возникновения разряда через эту трубку она делается длиннее основной газоразрядной трубки. Кроме того, трубку обычно помещают в постоянное магнитное поле, параллельное оси трубки. Продольное магнитное поле существенно влияет на параметры плазмы; траектории электронов, движущихся поперек силовых линий поля к стенкам разрядной трубки, закручиваются. В результате частота соударений в плазме повышается, а потери на стенках уменьшаются. Напряжение горения разряда в магнитном поле снижается, и при том же разрядном токе мощность излучения увеличивается, т.е. растет и КПД.
С увеличением напряженности магнитного поля концентрация заряженных частиц возрастает, а электронная температура уменьшается. Рост концентрации ионов приводит к увеличению инверсии, а снижение электронной температур к ее уменьшению. Поэтому зависимость мощности излучения от напряженности магнитного поля имеет экстремум. Оптимум напряженности поля лежит в интервале 2* 10⁴ – 10⁵ А/м, а его конкретное значение зависит от плотности тока, диаметра капилляра, давления газа. Аналогичным образом зависит мощность излучения от давления наполняющего газа. Здесь оптимум лежит в диапазоне 40 – 80 Па. Он также зависит от параметров разряда. [7,8]
Высокие плотности разрядного тока, выделяющаяся в разрядном капилляре большая тепловая мощность (сотни ватт с одного сантиметра длины), вытеснение, перекачка и поглощение газа обусловливают высокие требования к материалу трубки. В настоящее время они выполняются из кварца, окиси бериллия (ВеО), графита, анодированных алюминиевых секций, тугоплавких металлов. Первые трубки были с кварцевым разрядным каналом. Низкая теплопроводность кварца и обусловленные этим ограничения по плотности тока привели к необходимости использования более теплопроводных диэлектрических материалов. Практическое применение нашла электровакуумная керамика на основе окиси бериллия. Ее теплопроводность близка к теплопроводности алюминия, температура плавления 2700 С, напряжение пробоя 10' В/см; она хорошо спаивается с электровакуумным материалом; предельные токовые нагрузки составляют 800–1000 А/см². Перспективными являются лазеры, использующие капилляры из вольфрамовых шайб. Такие капилляры обладают существенно большей прочностью, они в меньшей степени подвержены эрозии, в них практически отсутствует поглощение инертного газа.
Водяное охлаждение значительно осложняет эксплуатацию аргоновых лазеров, однако оно неизбежно при уровнях излучаемой мощности порядка 1 Вт и потребляемой мощности около 10 кВт. Если мощность излучения составляет 100–200 мВт, то возможно ограничиться принудительным воздушным охлаждением. В настоящее время выпускается большое число типов ионных газовых лазеров на различные уровни мощности излучения. Наибольшее распространение в промышленности получили приборы, работающие в непрерывном режиме, имеющие мощность излучения от долей милливатт до 5–20 Вт при КПД 0,01–0,1%. В отдельных образцах получена мощность излучения до сотен ватт при КПД до десятых долей процента.
Высокая мощность излучения, повышенная энергия фотонов и возможность получения одночастотного режима обеспечили распространение ионных лазеров как мощных источников оптической накачки в голографии, спектроскопии комбинационного рассеяния, медико-биологических исследованиях, для подводной локации и телевидения, в системах аэрофоторазведки, лазерной технологии получения конформных и дифракционных оптических элементов и т.п. На рисунке изображены два вида аргоновых лазера: лазер с водным охлаждениеми с воздушным охлаждением. Лазеры с водным охлаждением более мощнее чем лазеры с воздушным охлаждением. [10]

4.