Geliy-neon gaz lazerini tuzilishi va ishlash printspi

ε(v₁, v₂, v₃) =hv₁(v₁+l/2)+hv₂(v₂+1/2)+hv₃(v₃+1/2). (2.3.2)
CO₂ molekulasini samarali ravishda 00°1 energetik kuchirish (inversiya hosil qilish) quyidagi ikkita jarayon hisobiga amalga oshiriladi:
1) Elektron bilan to’qnashish.CO₂ elektron bilan bevosita tuqnashib, ya’ni e+CO₂(00°0)→e+CO₂(00°1) uyg’ongan holatga o’tadi. CO₂ molekulasining elektron bilan to’qnashish kesimi (00°1 holat hosil qilishi) juda katta. CO₂ elektron bilan to’qnashib 00°1 energetik holatga o’tishning boshqa 10°0, 02°0 kabi energetik holatlarga nisbatan o’tishning afzalligi bor. Bu afzallik 00°1→00°0 o’tishning optik jihatdan ruxsat etilganligi va 00°0→10°0 o’tishning esa taqiqlanishi bilan tushuntiriladi.
2) Rezonansli ravishda N₂ uyg’ongan azot molekulasidan
CO₂ molekulasiga energiya uzatish CO₂ gazida inversion kuchganlikni oshiradi. 51-rasmdan N₂ molekulasining yuqori uyg’ongan energetik sathi CO₂ molekulaning 00°1 energetik sathidan Δε=18sm^–1 ga farq qilishi ko’rinib turibdi. Lekin bu farq kichik bo’lgani uchun molekulalarning o’zaro energiya almashishi samarali ravishda amalga oshiriladi. N₂ molekulasi elektron bilan to’qnashib asosiy energetik (v=0) sathdan uyg’ongan yuqori (v=1) sathga o’tishi elektrorazryad yordamida juda samarali bo’ladi. Uyg’ongan azot molekulasi energiyasini faqat tuqnashganda CO₂ ga beradi xolos.
Lazer nurlanishini hosil qiluvchi yuqori va pastki ener­getik sathlarning relaksasiya tezligini solishtirib qaraylik 00°1→10°0, 00°1→02°0 va 02°0→01°0 o’tishlar optik jihatdan ruxsat etilgan bo’lsa ham, ularning yashash vaqti (spontan o’tish vaqti τ_sp) juda kattadir. Shunga ko’ra energetik sathlarning relaksasiyasi molekulalarning to’qnashishi bilan aniqlanadi. Uyg’ongan yuqori energetik sathlarda spontan o’tish vaqti τ_cp gazlarning bosimi bilan aniqlanadi. Misol uchun CO₂ gazining parsial bosimi 1,55mm sim. ust., N₂ uchun 1,5mm sim. ust. va Ne uchun 12mm sim. ust. bo’lganda yuqori energetik sathda CO₂ molekulasining yashash vaqti τ_sp=0,4ms. Pastki energetik sathlarning relaksasiyasi esa, ya’ni 10°0→02°0, 10°0→01°0 va 02°0→01°0 juda tez o’tish bo’lib (spontan o’tish vaqti 1mks dan ham kichik). Haqiqatan ham 10°0→02°0 o’tishning energetik oralig’i kT dan kichik va o’tish tez bo’ladi. 10°0→01°0 va 02°0→01°0 kabi ikkita o’tishlar uyg’onmagan va asosiy pastki energetik sathda joylashgan SO₂ molekula bilan to’qnashi tufayli bajariladi:
(2.3.3)
Shu ikkita o’tishlarning ehtimoliyatlari juda yuqoridir, chunki energetik oraliqlar kT energiyadan ancha kichikdir. Juda qisqa vaqt ichida uchta 10°0, 02°0 va 01¹0 sathlarning energe­tik ko’chganliklari issiklik tufayli o’zaro muvozanatlikka erishadi. O’sha energetik sathlardan asosiy energetik (00°0) sathga o’tish tezligi kichik bo’lsa, o’sha sathlarda CO₂ mole­kulalarning to’plamini hosil qilib, ishchi energetik sathlar­da inversiya hosil qilishini qiyinlashtirib quyadi. 10°0, 02°0 va 01¹0 energetik sathlarning yashash vaqti (τ_sp) geliy atomlarining ishtiroki bilan aniqlanadi. Geliy gazining bosimini bilgan holda o’sha energetik sathlarning yashash vaqti (τ_sp) quyidagi formula yordamida baholanadi:
, (2.3.4)
bu yerda R_i – geliy gazining bosimi, q_i – gazorazryad paytida geliy gazining xarakteristikasini ifodalovchi doimiylik va uning qiymati juda kattadir. Geliy atomi CO₂ molekulasi bilan to’qnashib 10°0, 01¹0, 02°0 energetik sathlarda yashash vaqtini 20mks gacha qisqartirib, molekulani asosiy (00°0) sathga tushiradi. Toza holdagi SO₂ molekulasining yuqorigi uyg’ongan ishchi energetik satxdagi yashash vaqti pastki ener­getik sathdagi yashash vaqtidan kichikdir. U holda toza CO₂ gazidan tashkil topgan va uzluksiz ishlaydigan lazerni yaratish qiyin bo’ladi degan xulosa kelib chiqadi. Lekin birinchi uzluksiz ishlaydigan lazer toza CO₂ gazida kuzatilgan edi. Chunki gazorazryad paytida CO₂ molekulasi hosil bo’ladi va u molekula CO₂ molekulasiga tegishli pastki energetik sathlarning relaksasiyasini tezlashtiradi.
CO₂ – lazerlari impulsli va uzluksiz rejimda ishlaydi. Impulsli rejimda ishlaydigan CO₂ lazeri TEA lazeri deb ataladi. TEA inglizcha so’zlarning bosh harflaridan tashkil topgan bo’lib, atmosfera bosimidagi gazlarning kundalang uyg’otilish lazeri demakdir (TEA — tranversly excited atmospheric pressure Lasers). TEA — lazerida gazorazryad rezo­nator o’qiga perpendikulyar yo’nalishda sodir bo’ladi, ya’ni CO₂ molekulalarini uyg’otish lazer nurining tarqalish yo’nalishiga perpendikulyardir. Shu xildagi lazerlar impulsli rejimda ishlaydi. TEA rejimda ishlaydigan lazerning im­pulsi 1÷20mks davom etib, energiyasi 5÷10kJ ga yetadi. 53-rasmda TEA CO₂ – lazerining elektr sxemasi ko’rsatilgan.
Lazer kamerasi shisha plastinalarni yelimlab yoki organik shishadan yasaladi. Lazer kamerasida CO₂, N₂ va Ne gazlarning aralashmasi 5÷10 atmosferagacha kameraga berladi. Lazer kamerasining ikki tomonida elektrodlar o’rnatilgan, elektrodlarning uzunligi 60sm, kengligi 25mm va elektrodlar orasidagi masofa 25mm. Anod va katod elektrodlariga parallel ravishda har birining ikki tomoniga qator qilib 20 ta dan S_l kondensatorlar joylashgan.



CO₂ lazerining sxematik tuzilnshi. Shu tuzilishi va impuls rejimda ishlashni ta’minlaydi.



Kondensatorlarning uchlari yo’nilgan va o’tkir uchlari oralig’ida elektr chaqmoqchalari hosil bo’ladi. Chaqmoqchalar lazer kamerasidagi gaz aralashmasini qisman ionlashtiradi. Gazlarning qisman ionlashishi asosiy elektrodlar orasida bir jinsli gaeorazryadni ta’minlaydi. Bir jinsli gazoraz­ryad CO₂ molekulalarini rezonator o’qi bo’ylab bir tekis uyg’otadi, ya’ni inversion ko’chganlik hosil qiladi.
ma’lumki, yuqori U kuchlanishli elektr manbai R qarshilik orqali kondensatorni zaryadlaydi. Kondensatr S_n tegishli kuchlanishgacha zaryadlagandan keyin K razryadlovchiga tashqi generatordan elektr impulsi beriladi. Elektr impulsi qisqa muddatli bo’lib, (K) razryadlovchidagi gazni ionlashtiradi va (S_n) kondensatorni zaryadsizlangiradi. S_n kondensatordagi to’plangan elektr energiyasi S_n kondensatorga va asosiy elektrodlarga uzatiladi. Avval S_l kondensatorlarning uchlaridan uchqunlar chiqadi va shundan keyin tezda asosiy elektrodlar oralig’ida razryad boshlanadi. Kuchli elektrorazryad CO₂ va N₂ gazlarini uyg’otadi va samarali inversion kuchirish hosil qiladi. Lazer kamerasining o’qi bo’ylab majburiy nurlanish boshlanadi va ko’zgulardan bir necha yuzlab qaytib, kuchayib lazer nurlanishi ko’zgularning biri orqali tashqariga chiqadi. TEA lazeri katta bosim ostida ishlagani uchun generasiya keng spektrli bo’ladi. Keng spektrli CO₂ lazeri nurlanishini dispressiyali rezonatordan foydalanib sillik ravishda to’lqin uzunligini (chastotasini) o’zgartirish va spektral kengligini toraytirish mumkin. TEA lazerida modalar sinxronizmini hosil qilish va generasiya nurlanish muddatini qisqartirish mumkin.
Uzluksiz ishlaydigan CO₂ lazerining sxematik ko’rinishi 54-rasmda keltirilgan. CO₂, N₂, He gaz aralashmasi joylashgan shi­sha nayi lazer kamerasi vazifasini o’taydi, Shu tipdagi lazer kamerasida gazorazryad nay o’qi bo’ylab sodir bo’ladi. O’sha raz­ryad tufayli issiqlik ajralib chiqadi va nay qiziydi. Nayni sovutish uchun diametri katta bo’lgan shisha nay kiritiladi va suv ikki nay orasidan o’tib lazer kamerasini sovutadi.
Lazer kamerasida gaz aralashmasi bo’ylama razryad yordamida uyg’onadi va generasiya nay o’qi bo’ylab tarqaladi. Bu xil uzluksiz ishlaydigan CO₂ lazerlarning quvvati 40–50Vt ni tashkil qiladi. CO₂ lazerlari metallarni kesish, tirqish ochish va payvandlash ishlarida qo’llaniladi. O’sha lazerlar mashina detallarini chidamli qilishda ham ishlatiladi.



CO₂ lazerining uzluksiz rejimda ishlash sxemasi.