Реферат: Диффузионный CO2 лазер ВЧЕ-разрядом

Автор:

Ilya Chindialov (2:5020/859.43)

Содержание

1.

Введение..…………………………..…………………......…………. 3

2.

Квантовоеописание лазера …………………………………..…….. 4

3.

Получениеинверсной заселённости, состав активной среды, температурный режим, регенератор .....................................…..... 9

4.

Резонатор...................................………………..……..……… 13

5.

Характеристика газового разряда, ВАХ, потенциальная диаграмма ……………………………………………………………. 17

6.

Заключение ………………………………………………..………….. 25

7.

Список используемой литературы ..............................................… 26

1.

Введение

Извсех существующих лазеров (“LightAmplification by Stimulated Emission of Radiation”)длительного действия наиболее мощными,продвинутыми в практическом отношении и приспособленными для резки материалов,сварки металлов, термического упрочнения поверхностей деталей и ряда другихопераций являются электроразрядные СО2-лазеры. Большой интерес к СО2-лазерамобъясняется также и тем, что у этого лазера эффективность преобразованияэлектрической энергии в энергию лазерного излучения в сочетании с максимальнодостижимой мощностью или энергии импульса значительно превосходит аналогичныепараметры других типов лазеров. С помощью их излучения производят необычныехимические реакции, разделяют изотопы. Имеются проекты передачи энергии спомощью СО2-лазеров с Земли в космос или из космоса на Землю,обсуждаются вопросы создания реактивного двигателя, использующего излучениелазера. За 33 года, прошедших со времени создания первого образца (С. Пател,1964г.) их мощность в непрерывном режиме возросла от милливатта до многихкиловатт. Сейчас выпускаются СО2-лазеры с мощностью до 10 кВт, в томчисле более 50 типов СО2-лазеров с ВЧ-накачкой в диапазоне мощностейот 3 Вт до 5 кВт. При этом газовые лазеры с ВЧ-возбуждением обладают целымрядом преимуществ по сравнению с лазерами, в которых для накачки рабочей средыприменяется самостоятельный тлеющий разряд постоянного тока. В частности, ихконструкция и технология изготовления проще, а надёжность, ресурс работы,удельные характеристики существенно выше чем у лазеров с накачкой постояннымтоком. Это позволяет уменьшить габариты и массу технологических СО2-лазеровмощностью ~

1кВт настолько, что становится возможным размещение такого лазера на подвижномманипуляторе промышленного робота.

Сегодня известно большое количестворазличных конструкций газовых лазеров с ВЧ-возбуждением. Но в основе всегомногообразия конструктивных решений лежит специфика пространственной структурыВЧЕР, которая в большинстве случаев удачно совпадает с требованиями,предъявляемыми к активной среде лазера.

2.

Квантовое описание лазера

<img src="/cache/referats/755/image002.gif" align=«left» hspace=«15» v:shapes="_x0000_s1037"><img src="/cache/referats/755/image004.gif" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1036"> Возбуждённаячастица может перейти в менее энергетическое состояние самопроизвольно врезультате спонтанного излучения, или, как его ещё называют, радиационногораспада (рис. 1). Спонтанное излучение имеет чисто квантовую природу. Согласноквантовой механике атом или молекула не могут находиться в возбуждённомсостоянии бесконечно долго. Возбуждённое состояние распадается с конечнойскоростью, определяемой вероятностью этого перехода в единицу времени <img src="/cache/referats/755/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1025">

hn0=e2-e1 А(2)®А(1)+ hn0 (<img src="/cache/referats/755/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1026"> — коэффициент Эйнштейна для спонтанных переходов). Изменение концентрации частиц N2на верхнем уровне врезультате спонтанных переходов описывается выражением <img src="/cache/referats/755/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1027">

<img src="/cache/referats/755/image012.gif" align=«left» hspace=«15» v:shapes="_x0000_s1039"> В отличие от спонтанных переходов,способных происходить в изолированной частице, безизлучательные переходывозможны только при наличии взаимодействия частицы А с другой частицей илисистемой частиц В. В результате такого взаимодействия частица переходит изсостояния 1 в состояние 2 или наоборот без излучения кванта света и без егоучастия. Процесс столкновительного возбуждения (рис.2) требует затратыкинетической энергии <img src="/cache/referats/755/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1028"> и протекает по схемеА(1)+В

®А(2)+В. Процесс столкновительной релаксации на(рис.3) наоборот сопровождается переходом энергии <img src="/cache/referats/755/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1029"> в поступательнуюэнергию взаимодействующих частиц либо тратится на возбуждение частицы В. Этотпереход происходит по схеме <img src="/cache/referats/755/image018.gif" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1040">A(2)+B®A(1)+B+<img src="/cache/referats/755/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1030">hn0=e2-e1 т.евероятность индуцированных переходов отлична от нуля лишь во внешнемэлектромагнитном поле с резонансной частотой n0. А. Эйнштейн предположил, чтопри наличии поля резонансной частоты помимо переходов <img src="/cache/referats/755/image022.gif" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1041">квантовой системы из состояния 1в состояние 2, что соответствует резонансному поглощению квантов, протекающемупо схеме А(1)+hn0®A(2)(рис.4) возможныпереходы по схеме А(2)+hn0®А(1)+2hn0(рис.5). Данныйпроцесс индуцирования или вынужденного излучения и служит основой квантовойэлектроники.

Однако энергия возбуждённыхсостояний не является фиксированной величиной даже в случае изолированнойчастицы. Согласно принципу неопределённости Гейзенберга неточность вопределении энергии системы и времени её существования должна удовлетворятьсоотношению:

<img src="/cache/referats/755/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1031">.Поскольку <img src="/cache/referats/755/image026.gif" v:shapes="_x0000_i1032">~t0 то неопределённость энергиивозбуждённого состояния составляет <img src="/cache/referats/755/image028.gif" v:shapes="_x0000_i1033"><img src="/cache/referats/755/image030.gif" v:shapes="_x0000_i1034">Данное уширение частоты излучения называется естественная ширина линии и является минимально возможной.Естественная ширина линии резко растёт с ростом n (~n3) и становится заметной вкоротковолновой части спектра. Для основного перехода молекулы СО2лазера t0»5 сек и ширина <img src="/cache/referats/755/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1035">n0»3*10-2 Гц. Однако обычно ширина линииизлучения определяется не спонтанным излучением а релаксационнымибезизлучательными переходами, происходящими при взаимодействии возбуждённойчастицы с другими частицами. Любой релаксационный процесс приводит к сокращениювремени жизни частицы в возбуждённом состоянии, а следовательно, к уширениюсоответствующей этому состоянию линии излучения. Релаксационное уширениепроисходит за счёт безизлучательных процессом при столкновении частиц и этотпроцесс называют столкновительноеуширение. По аналогии с естественный шириной линии, принимая tcт- время жизничастицы в возбуждённом состоянии столкновительное уширенение определяетсякак <img src="/cache/referats/755/image034.gif" v:shapes="_x0000_i1036">.Время жизни частицы определяется через сечение этих процессов tст<img src="/cache/referats/755/image036.gif" v:shapes="_x0000_i1037"> Как правиловозбуждённая частица взаимодействует с различными частицами и в общем случае tст<img src="/cache/referats/755/image038.gif" v:shapes="_x0000_i1038"> где суммирование проводится по всем видамвзаимодействующих частиц. Столкновительноеи естественное уширение вызвано одной той же причиной – конечным временем жизни частицы в возбуждённомсостоянии. Форма линии уширения в обоих случаях определяется особенностьювероятностных процессов и поэтому одинакова. Она имеет так называемый лоренцевконтур, описываемый форм-фактором <img src="/cache/referats/755/image040.gif" v:shapes="_x0000_i1039">: <img src="/cache/referats/755/image042.gif" v:shapes="_x0000_i1040">линии,связанное с конечностью времени жизни возбуждённого состояния, принято называтьоднородным. В случае однородного уширения каждаявозбуждённая частица при переходе излучает линию с полной шириной <img src="/cache/referats/755/image044.gif" v:shapes="_x0000_i1041">спектральной формой <img src="/cache/referats/755/image046.gif" v:shapes="_x0000_i1042"> и поглощает кванты с частотой,лежащей в пределах контура <img src="/cache/referats/755/image046.gif" v:shapes="_x0000_i1043">V. Смещение частоты зависит такжеот угла j между направлением движения илинией, соединяющей излучатель с приёмником и составляет <img src="/cache/referats/755/image048.gif" v:shapes="_x0000_i1044">n0. Суперпозиция этих смещённыхлиний и даёт наблюдаемый профиль уширённой линии. Это так называемое доплеровское уширение линии являетсянеоднородным. Каждая частица в описанной ситуации может излучать линию лишь вузком, определяемом естественным уширением, спектральном диапазоне, сдвинутомотносительно n0 на конкретную величину,однозначно связанную со скоростью и направлением движения этой частицы.Естественно, что и поглощать излучение с фиксированной частотой смогут толькоте частицы, доплеровский сдвиг которых соответствует этой частоте. Примаксвелловском распределении излучающих частиц по скоростям <img src="/cache/referats/755/image050.gif" v:shapes="_x0000_i1045"> где <img src="/cache/referats/755/image052.gif" v:shapes="_x0000_i1046"> — средняя тепловая скорость;m - масса частицы.При этом линия излучения имеет гауссов профиль, описываемый форм-фактором <img src="/cache/referats/755/image054.gif" v:shapes="_x0000_i1047"> Аналогичнос <img src="/cache/referats/755/image056.gif" v:shapes="_x0000_i1048"> выражение нормировано на единицу <img src="/cache/referats/755/image058.gif" v:shapes="_x0000_i1049">

В общем случае полная шириналинии излучения определяется всеми механизмами уширения. Однако в реальнойситуации чаще всего преобладающим является один. Это вызвано различнымхарактером зависимости <img src="/cache/referats/755/image060.gif" v:shapes="_x0000_i1050"> и <img src="/cache/referats/755/image062.gif" v:shapes="_x0000_i1051"> от внешних условий.Так, например, в случае газовой излучающей среды <img src="/cache/referats/755/image060.gif" v:shapes="_x0000_i1052"> линейно растёт сконцентрацией частиц, а <img src="/cache/referats/755/image062.gif" v:shapes="_x0000_i1053"> зависит только оттемпературы. Поэтому при малых давлениях уширение будет определятьсядоплеровским эффектом, а при больших — столкновениями. Спектральноераспределение излучаемой линии имеет вид симметричной резонансной кривой(рис.6) с максимумом на частоте

n=n0, спадающей до уровня половинымаксимальной интенсивности при частотах <img src="/cache/referats/755/image064.gif" v:shapes="_x0000_s1034">
<img src="/cache/referats/755/image066.gif" v:shapes="_x0000_i1054"> переходов с конкретнойдлиной волны. Т.к.линия излучения имеет спектральную форму q(n), то вероятность спонтанногоизлучения с заданной частотой будет определяться полной вероятностьюсоответствующих переходов А12 и видом форм-фактора q(n) т.е. Wсп(n)=А21*q(n) где Wсп(n)- вероятность спонтанного излучения. Вероятностиспонтанного и вынужденных переходов связаны между собой, поэтому вероятностьиндуцированных излучения с заданной частотой W21(n) также зависит от n: W21(n)=B21*q(n)*sV, B21 – коэффициент Эйнштейна дляиндуцированного излучения, <img src="/cache/referats/755/image068.gif" v:shapes="_x0000_i1055"> – спектральная объёмная плотностьизлучения. Интегральная вероятность индуцированного излучения W21при этомудовлетворяет условию <img src="/cache/referats/755/image070.gif" v:shapes="_x0000_i1056"> Для лоренцева видалинии форм-фактора такое интегрирование даёт <img src="/cache/referats/755/image072.gif" v:shapes="_x0000_i1057"> для гауссова <img src="/cache/referats/755/image074.gif" v:shapes="_x0000_i1058"><img src="/cache/referats/755/image076.gif" v:shapes="_x0000_i1059"><img src="/cache/referats/755/image078.gif" v:shapes="_x0000_i1060">d — дельта-функция. Сечениевынужденного фотоперехода для столкновительного уширения имеет вид:<img src="/cache/referats/755/image080.gif" v:shapes="_x0000_i1061">,для доплеровской формы линии <img src="/cache/referats/755/image082.gif" v:shapes="_x0000_i1062">g1 – статистическийвес уровня. Сечение вынужденногоизлучения s21=s0*g1, вынужденногопоглощения s12=s0*g2.Процессыиндуцированного излучения сопровождаются усилением электромагнитных волн. Пустьчерез среду, в которой частицы могут находиться в состояниях 1 и 2 с энергиями возбужденияe1 и e2 проходит поток монохроматического излучения удовлетворяющего соотношениюhn0=e2-e1. Пусть плотность частиц в этихсостояниях N1 и N2. Уравнение баланса плотности фотонов впучке имеет вид: <img src="/cache/referats/755/image084.gif" v:shapes="_x0000_i1063"> где np– объёмная концентрацияфотонов. <img src="/cache/referats/755/image086.gif" v:shapes="_x0000_i1064"><img src="/cache/referats/755/image088.gif" v:shapes="_x0000_i1065"> называют коэффициентом активной среды. Интенсивностьсвета будет усиливается по мере прохождения через среду с К>0. В противном случае при К<0 будет иметь место ослаблениеинтенсивности изучения. Знак Копределяется знаком выражения (N2*g1-N1*g2), называемого инверсией среды. Усиление средыположительно только лишь при (N2*g1-N1*g2)>0. В среде с термическимравновесием, где N1 иN2 подчиняются распределению Больцмана и где N2 всегдаменьше N1, усиление светаневозможно. Таким образом, усилениесвета может иметь место лишь при отсутствии термодинамического равновесия междууровнями 2 и 2, т.е. в неравновесной среде. Среду с N2*g1-N1*g2>0 называют средой с инверсной населённостью.Наилучшие условия резонансного излучения получаются при больших скоростяхзаселения и временах жизни верхнего уровня активных частиц и малых значенияхэтих величин для нижнего уровня.

3.

Получение инверсной заселённости, состав активнойсреды, температурный режим, регенератор

В лазере на основе СО2 используетсячетырёхуровневая система получения инверсной населённости между колебательнымиуровнями молекул.

МолекулаСО2 состоит из атома углерода и двух симметрично расположенныхатомов кислорода, т.е. имеет линейную структуру О-С-О. Как видно из схемы нарис. 7 атомы кислорода могут совершать симметричные (мода n1ОО) и несимметричные(асимметричные) (мода n3ОО), а также поперечные этому направлению так называемыедеформационные колебания (мода n2LOO) — из-за наличия двух взаимноперпендикулярных направлений этот тип колебаний является дважды вырожденным.Употребляемые для описания состояния колебательно-возбуждённой молекулыквантовые числа n1, n2Lи n3 характеризуют числоквантов, соответствующих колебанию данноготипа, L указывает поляризациюдеформированного колебания. Лазерный квант излучается при переходе из состояния001 в 100 (цифры обозначают колебательные квантовые числа в модах n1, n2Lи n3 соответственно). Возможен такжепереход 001®020 с длиной волны l=9.4 мкм, но он обычно гораздослабее. Для получения оптимальныхусловий в рабочую смесь СО2-лазера помимо углекислого газа добавляютазот и гелий.

<img src="/cache/referats/755/image090.gif" v:shapes="_x0000_s1050">
Время жизни верхнеголазерного уровня СО2 относительно спонтанных переходов составляет

~0.2 с (А21»5.1 с-1). Поэтому более интенсивно верхние и нижниелазерные уровни расселяются (релаксируют) в результате безизлучательных переходов при столкновениях возбуждённоймолекулы с невозбуждёнными компонентами лазерной среды по схеме на рис. 3.Однако высокая эффективность получения инверсной заселённости в газоразрядныхСО2-лазерах обусловлена рядом причин. В электрическом разряде свысокой эффективностью образуются колебательно-возбуждённые молекулы N2, составляющие до 50% их общегочисла. Поскольку молекула N2состоит из двух одинаковых ядер, её дипольное излучение запрещено и она можетдезактивироваться только при столкновении со стенкой или с другими молекулами.При наличии СО2 колебательная энергия N2 может быть легко переданамолекулам СО2 поскольку существует близкий резонанс междуколебаниями N2 имодой n3 колебаний СО2.Уровень 001 только на 18 см-1 лежит выше первого колебательногоуровня азота и необходимый недостаток энергии молекулы СО2 могутполучать от кинетической энергии азота. В результате энергия, затрачиваемая навозбуждение верхнего лазерного уровня и характеризуемая КПД разряда hк, для смесей СО2-N2-He может превышать 80%. При наличииазота в смеси время релаксации, запасённой верхним уровнем энергии tэ увеличивается и становитсяравным <img src="/cache/referats/755/image092.gif" v:shapes="_x0000_i1066"> заселённость верхнего лазерного уровня вотсутствии генерации будет <img src="/cache/referats/755/image094.gif" v:shapes="_x0000_i1067">2находятся в тепловом равновесии с основным, их относительная заселённость ~<img src="/cache/referats/755/image096.gif" v:shapes="_x0000_i1068">2необходимо расселять. Этот процесс обеспечивается добавлением в лазерную смесьрасселяющих компонент, из которых наиболее эффективен гелий. Также помимоэффективного расселения уровня 100 гелий обеспечивает хороший теплоотвод отрабочей среды за счёт теплопроводности и оказывает стабилизирующее действие назаряд, поэтому в подавляющем большинстве существующих технологических лазеровпредпочтение отдаётся ему. Таким образом, эффективная работа СО2-ляазератребует трёхкомпонентной лазерной смеси. Определение состава рабочей средылазера является сложной оптимизационной задачей, решение которой необходимопроводить в каждом конкретном случае. Для диффузионного СО2-лазерачасто используетсясмесь СО2:N2:He в соотношении 1:1:3.

Частотныйспектр генерации СО2-лазера имеет достаточно сложный вид. Причинойэтого является наличие тонкой структуры колебательных уровней, обусловленнойсуществованием ещё одной степени свободы молекулы СО2 – вращения.Из-за вращения молекулы каждый изображённый на рис. 7 колебательный уровеньраспадается на большое количество вращательных подуровней, характеризуемыхквантовым числом

j иотстоящих друг от друга на величину энергии Deвр, e001, e100, kTr. В результате интенсивногообмена энергий между вращательной и поступательной степенями свободыустанавливается больцмановское распределение частиц по вращательным состояниям,описываемое уравнением <img src="/cache/referats/755/image098.gif" v:shapes="_x0000_i1069">Nn, Nn,j – концентрации возбужденныхчастиц на колебательном уровне n и на его вращательных подуровнях j; <img src="/cache/referats/755/image100.gif" v:shapes="_x0000_i1070">-1 – вращательная константа. Согласноправилам отбора в молекуле СО2 переходы между двумя различнымиколебательными уровнями возможны при изменении вращательного квантового числана 1 т.е. Dj=±1. Таким образом, линия усилениярабочей среды состоит из большого числа линий, каждая из которых уширена засчёт эффекта Доплера на величину <img src="/cache/referats/755/image062.gif" v:shapes="_x0000_i1071"> и за счёт столкновенийна величину <img src="/cache/referats/755/image060.gif" v:shapes="_x0000_i1072"> и для СО2-лазеравычисляются: <img src="/cache/referats/755/image102.gif" v:shapes="_x0000_i1073">

i – парциальные давления компонентсмеси.

Коэффициентусиления активной среды СО2-лазера существенно зависит оттемпературы рабочей смеси Тг. Процессы накачки лазерной смеси игенерации неизменно сопровождается нагревом газа. Температура лазерной смеси Тгв установившемся состоянии пропорциональна мощности энерговыделения в разряде,т.е. Тг

~jE.В отсутствие генерации заселенность верхнего лазерного уровня такжепропорциональна jE.Поэтому если время столкновительной релаксации <img src="/cache/referats/755/image106.gif" v:shapes="_x0000_i1075"> не зависит оттемпературы

еще рефераты

Еще работы по технологии

Реферат по технологии

Технологический процесс изготовления детали "Корпус"

29 Августа 2013

Реферат по технологии

Привод ленточного конвейера. Червячный редуктор

29 Августа 2013

Реферат по технологии

Расчет состава и термодинамических характеристик рабочего тела. Расчет действительного цикла четырехтактного ДВС

25 Июня 2015

Реферат по технологии

Кинематический анализ и расчет станка 1П 365

29 Августа 2013