Оптические квантовые генераторы (стр. 7 из 7)

С0^10°0) + СО^(ООО)-- CO^OI 'O+COg^O). (125)

Этот процесс идет с большой эффективностью, что связано с соответствием нижнему лазерному уровню (10°0) молекул СОр энергии почти вдвое большей, чем требуется для возбуждения колебательного уровня (01^0). В результате соударения молекул СОп (10°0) и СОп (000) приводят к перераспределению колебательной энергии между ними с возбуждением каждой на уровень (01 0). Переход молекул СОп из состояния (01 0) в основное состояние (000) обеспечивается столкновениями их с частицами постороннего газа. При этом энергия деформационных колебаний молекулы С0о_ (01 0) превращается в энергию поступательного движения со-ударяющихся молекул.

Значительное уменьшение времени релаксации уровней (01-0) и (10 0) и увеличение тем самый инверсии населенностей,а значит и мощности генерации вызывают гелий, водород, пары воды, которые вводят для этой цели в рабочую трубку ОКГ.

По устройству ОКГ на СОо не имеют принципиальных отличий от других газоразрядных генераторов. Однако они характеризуются конструктивными особенностями, обусловленными спектральным диапазоном и высокой мощностью излучения.

На рис.91 приведены схемы конструкций ОКГ на углекислом газе. В мощных СКГ длина разрядных трубок достигает нескольких метров, а диаметр - 70 -5-80 мм. Дальнейшему увеличению диаметра препятствует контрагирование столба газового разряда, которое наступает для смеси No-СОо при диаметрах, больших,чеп 40 мм, а на смесях Nn-CO-He при диаметрах, больших» чем 70* т80 мм. В ОКГ на СО^ используется принудительное водяное охла ждение трубок ( 1 на рис.91,а). 1%

Разряд осуществляют как на постоянном токе (см.рис.91, а), так и переменным напряжением промышленной частоты ( и на рис. 91.ff ). В длинных трубках для упрощения зажигания и поддержания разряда создают секции длиной 80+100 см, разряд в каждой из которых поддерживается независимо от других секций. Обычно используют источники с напряжением примерно 20 кВ и током, достигающим десятков и сотен миллиампер.

Применяют как внутренние (3), так и внешние зеркала(^> Пло-скопараллельные пластины брюстеровских окон (.5) газоразрядных трубок делают из NuCL , KCL , Ge , SL , -прозрачных в области 9+11 мкм. Используют зеркала с металлическими или интерференционными диэлектрическими отражающими покрытиями. Подложки зеркал для ОКГ небольшой мощности (порядка I Вт) делаются из кварца. Наилучшим материалом при высоких уровнях мощности для подложек зеркал и для брюстеровских окон является иртрай, представляющий собой прессованный поликристалл ZnSe . Для вывода излучения из ОКГ в зеркалах с металлическими отражающими покрытиями делается небольшое отверстие" - окно (диаметром несколько миллиметров). Коэффициент пропускания выходных зеркал с диэлектрическими покрытиями имеет величину 10 т 30%.

Разрад в рабочей смеси газов сопровождается диссоциацией и изменением исходного состава газа. Поэтому очень часто, особенно в мощных ОКГ, используется непрерывная прокачка газа (б) через разрядную трубку.

Рассмотрим основные характеристики ОКГ на COg . На рис.92 показана зависимость выходной мощности от силы тока разряда паи различных давленяях СОп для ОКГ с отпаянной трубкой длиной I м и диаметром 10 мм. Сначала мощность возрастает вместе с током, а затем падает. Такая зависимость объясняется конкуренцией двух факторов. Увеличение концентрации электронов, о одной стороны, ведет к возрастанию скорости возбуждения молекул СОп на уровень (00^1), а с другой,- повышает газовую температуру, что увеличивает ^ скорость разрушения антисимме-- тричных колебаний молекул.

Значительное увеличение мощности генерации достигается добавлением к СО^ азота.

Рис.93 иллюстрирует влияние введения азота в разрядную трубку на мощность и КПД ОКГ на СОп • При добавлении азота благодаря резонансной передаче колебательной энергии от молекул Nn антисимметричному типу колебаний СОо инверсия населенностей. а следовательно, и мощность растут. Однако по мере введения N^ повышается температура газа, что приводит к увеличению скорости релаксации уровня (00°1), уменьшению его заселенности, а также росту населенности нижнего лазерного уровня (Ю°0). Поэтому инверсия населенностей снижается и мощность падает.

Существенное влияние на энергетические характеристики ОКГ на COp-Nn оказывает введение в разрядную камеру гелия (рис.94)1 Гелий, обладая теплопроводностью, в несколько раз превышавшей теплопроводность СОв^ и Nn, снижает газовую температуру, что способствует увеличению инверсной населенности, а значит,и выходной мощности. Кроме того, с введением в разряд гелия воз

растает возбуждение колебательных уровней молекул СО- , Мд и СО . Однако при больших парциальных давлениях гелия в газовой смеси мощность генерации падает, так как уменьшается населенность верхнего лазерного уровня (00°!) из-за релаксации антисимметричных колебаний молекул СОр при столкновениях COn-He . Мощность генерации также повышается при введения в разряд паров воды.

Оптимальный состав рабочей смеси газов в ОКГ на СОр зависит от размеров разрядной трубки, температуры ее стенок, скорости прокачки смеси и т.д. Обычно используются смеси угле

кислого газа, азота и гелия в соотношении 1:1+5:3*8 при общем давлении порядка I0³ Па. Удельная мощность генерации достигает I Вт на I см разряда газовой смеси. Типичный ОКГ на углекислом газе при длине разрядной трубки 200 см дает непрерывную мощность около 150 Вт. Увеличение длины разрядной трубки ведет к примерно пропорциональному росту мощности. Таким путем удается создать ОКГ на углекислом газе с выходной мощностью больше I кВт. На уникальной установке с длиной разрядного канала ВО м была получена мощность генерации около 9 кВт.*