Внимание: измерения без ослабителя мощности производить категорически запрещается: измеритель ИМО-2 может выйти из строя.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ЛАЗЕРЫ НА УГЛЕКИСЛОМ ГАЗЕ

Цель работы: ознакомиться с теорией и устройством лазера, освоить методику измерения мощности лазера измерителем ИМО – 2 и изучить характеристики отражения излучения от различных отражающих поверхностей.

Состав установки: СО₂ – лазер, блок охлаждения, измеритель мощности ИМО-2, ослабитель, силикатный экран, набор образцов.

Молекулярные лазеры

Молекулярные лазеры — одна из наиболее перспективных и бурно развивающихся групп газоразрядных лазеров, что в основном обусловлено их высоким КПД и большой мощностью в непрерывном режиме.

Рассмотрим основные особенности молекулярной активной среды. В общем случае полная энергия молекулы представляет собой сумму следующих четырех компонент:

· электронной энергии, обусловленной движением электронов вокруг ядер (квантовая система) ;

· колебательной энергии, связанной с движением ядер (квантовая система) ;

· вращательной энергии, обусловленной вращением молекулы (квантовая система);

· трансляционной энергии (непрерывный континиум).

Для описания механизма создания инверсии используются первые три вида энергии, так как трансляционная энергия не квантуется. Между этими видами энергии существует следующее соотношение:

_, ,

которое можно выразить таким образом:

где — масса покоя электрона; — суммарная масса ядер атомов,

составляющих молекулу. Обычно =10^–3 ¸ 10^–5, а имеет значение порядка нескольких электронвольт. Тогда » 10^–1– 10^–2эВ и » 10^–3– 10^–5эВ. Различный порядок величин энергий связан с относительной медленностью вращения молекулы как целого и движения ядер в молекуле по сравнению с движением электронов, что обусловлено различием движущихся масс.

Верхний уровень в молекулярных лазерах расположен значительно ниже, чем в лазерах, использующих ионные и атомные переходы, поэтому в процессе возбуждения принимает участие сравнительно большая доля числа электронов. Этим и объясняется высокая эффективность накачки в молекулярных лазерах.

Наиболее типичным представителем молекулярных лазеров является лазер на углекислом газе (СО₂,). Большое распространение имеет также лазер на СО. Основная длина волны излучения лазера па СО₂ лежит в области 10,6 мкм, а лазера на СО - в области 5—5,4 мкм, Распространению этих лазеров способствовал также, тот факт, что излучение на этих длинах волн слабо поглощается атмосферой. Основной отличительной особенностью молекулярных лазеров, по сравнению с атомарными и ионными, является использование колебательно-вращательных переходов молекул. Энергетические уровни, соответствующие этим переходам, в отличие от электронных переходов расположены значительно ниже по отношению к основному уровню и гораздо чаще, а кроме того, расстояния между отдельными колебательными уровнями эквидистантны.

Рассмотрим механизм действия лазера на СО₂. Молекула CO₂ линейно-симметрична по конфигурации и имеет три типа разрешенных колебаний: симметричные, деформационные и асимметричные (Рис. 1). Колебательные состояния молекулы CO₂ обозначаются набором трех колебательных квантовых чисел: v _1, v ₂ ^l , v ₃_. Эти числа равны кратности возбуждения соответственно симметричных, деформационных и ассимитричных колебаний молекулы, а l указывает на поляризацию деформационного колебания. Например, колебательное состояние (00⁰1) ( v ₁ =0, v ₂ =0, v ₃ =1) соответствует состоянию однократно возбужденного асимметричного колебания (симметричные и деформационные колебания не возбуждены). Каждый из колебательных уровней молекулы состоит, в свою очередь, из совокупности близко расположенных вращательных подуровней, соответствующих вращению ядер молекулы и характеризуемых изменением углового момента и вращательным квантовым числом j_i.

10⁰0 01^l0 00⁰1

Рис. 1. Типы колебаний молекулы СО₂: симметричное n₁;

деформационное n₂ и асимметричное n₃.

В соответствии со структурой уровней (Рис.2) спектр излучения молекул весьма сложен и состоит из отдельных колебательно-вращательных полос, разделенных интервалами, соответствующими переходам электронов. Излучение происходит за счет переходов между вращательными уровнями верхнего колебательного состояния и низко

расположенного колебательного состояния. Какой-либо переход между

колебательными уровнями при отсутствии вращения должен был бы давать только одну частоту w₀. Но на самом деле такой переход состоит из

Рис.2 Схема рабочих уровней лазера на СО₂ (вверху показано движение атомов, отвечающее трем основным типам колебаний линейной молекулы СО₂)

двух наборов линий.(R и P – ветви (Рис.3, 4). Подобная вращательная структура колебательной полосы определяется изменением вращательной энергии при колебательном переходе. Для дипольных переходов выполняется строгое правило отбора:

Dj = j¢ - j¢¢ = 0, ±1,

что дает так называемые P-, Q- и R-ветви. По определению в P - ветви Dj = -1, в Q-ветви Dj = 0, в R-ветви Dj = +1. Для линейных молекул, к которым относится и молекула СО₂, существует дополнительный запрет на переход с Dj = 0, и Q-ветвь отсутствует.

Таким образом для молекулы СО₂существует два набора вращательных переходов, которые соответствуют более низкочастотной полосе (Р-ветвь) и более высокочастотной полосе (R-ветвь), показанные на Рис.3. и Рис.4.

Инверсия населенности может быть получена как в чистом СО₂, так и в смеси газов. Накачка верхнего лазерного уровня 00° 1 в чистом

СО₂ происходит при соударении молекулы в основном состоянии 00°0 с

Рис.3. Колебательно-вращательная структура энергетических уровней и разрешённые переходы в молекуле СО₂.

Рис.4. Переходы между двумя колебательными уровнями

с учетом вращательной структуры.

электроном, т. е. прямым электронным ударом. Электроны в разряде возбуждают и более высоко расположенные уровни — 00°2, 00°3 и т. д. В результате неупругих соударений молекул в этих состояниях с невозбужденными молекулами происходит понижение энергии возбужденных молекул с соответствующим переходом молекул в состоянии 00°0 на верхний колебательный уровень.

Для увеличения инверсии и эффективности преобразования энергии электронов в энергию излучения к углекислому газу добавляют азот и гелий. Колебательные уровни азота почти совпадают с колебательными уровнями СО₂ асимметричного типа колебаний, поэтому молекулы азота на верхних колебательных уровнях передают свою энергию молекуле CO₂ практически без потерь. Колебательные уровни дипольной молекулы азота являются метастабильными. Время жизни этих уровней достигает нескольких секунд. Разряд в азоте приводит к возбуждению почти 30% всех молекул. Эффективность использования электронов в разряде смеси CO₂—N₂ чрезвычайно высока и достигает 70— 80%. КПД такого лазера ограничивается практически только квантовой эффективностью лазерного перехода, которая для уровня 00°1 достигает 45%. Генерация осуществляется либо на переходе 00°1®10°0, либо на переходе 00°1®02°0. Но так как первый из этих переходов обладает большим усилением и оба перехода имеют один и тот же верхний уровень, то генерация обычно происходит на переходе 00°1—10°0 (l=10,6 мкм). Для получения генерации на линии 9,6 мкм или на другой вращательной линии внутрь резонатора помещают частотный селектор, чтобы подавить генерацию на линии с наибольшим усилением. Релаксация нижних лазерных уровней происходит через резонансное соударение молекул CO₂ в состоянии 10°0 с невозбужденными молекулами в состоянии 00°0 с образованием двух молекул в состояниях 01¹0. Из этого состояния молекулы переходят вниз.

Существенную роль в процессах возбуждения и релаксации играет гелий. Гелий, как газ с высоким потенциалом ионизации, повышает электронную температуру, а с другой стороны, способствует распаду нижних уровней 10⁰0 и 01¹0 в результате неупругих соударений. Релаксации нижних уровней способствуют также соударения с парами воды и другими молекулами, как добавляемыми специально в лазеры на CO₂, так и образующимися в разряде. Из-за малого расстояния между основным (00°0) и нижним (01¹0) лазерными уровнями рабочую смесь в молекулярных лазерах необходимо охлаждать. Предельная температура рабочего газа не должна превышать 700—800К, а следовательно, отводимая и вводимая в разряд мощности оказываются строго ограниченными условиями теплоотвода. А это, в свою очередь, приводит к ограничению мощности излучения, снимаемой с единицы длины разрядной трубки. Охлаждение смеси происходит в основном из-за диффузии возбужденных молекул по направлению к стенкам трубки; следовательно, существенное увеличение диаметра активной среды для молекулярного лазера неприемлемо из-за перегрева рабочей смеси. В лазерах на CO₂ могут использоваться активные среды диаметром до 10 см и длиной до 100 м. Газовый разряд в молекулярных лазерах подчиняется в основном правилам подобия. Оптимальные условия определены лишь для отпаянных активных элементов, в которых используется обычный тлеющий разряд. Оптимальное произведение составляет 530 Па∙см ( — парциальное давление CO₂).

Максимальная удельная мощность в отпаянных лазерах и лазерах с медленной прокачкой, которую можно получить с единицы объема, равна

где - тепловая скорость; - концентрация молекул; – длина свободного пробега; – диаметр трубки. Соответственно мощность на единицу длины определяется выражением

и не зависит от диаметра ( – константа). А так как – const, то величина не зависит и от давления и имеет практически постоянное значение (примерно 50 Вт/м).

Другой особенностью молекулярных лазеров является наличие сравнительно узких линий генерации: ширина доплеровского контура около 100 МГц, т. е. на один-два порядка ниже ширины линий в гелий-неоновых и ионных аргоновых лазерах, что объясняется сравнительно низкой частотой инфракрасных переходов и температурой рабочей смеси. Это создает условия для работы молекулярных лазеров в одночастотном режиме с высоким уровнем мощности при однородном характере насыщения усиления. Наличие вращательной структуры у колебательных уровней приводит к возможности получения перестраиваемой генерации примерно на 100 отдельных спектральных линиях, расположенных относительно друг друга на расстоянии от 1,0 до 10 нм.

В газовом разряде происходят также химические процессы, приводящие к изменению состава рабочей смеси. Они в основном заключаются в разложении углекислого газа на угарный газ (СО) и кислород (О). В конечном итоге в отпаянных газоразрядных трубках это может привести к исчезновению генерации. Для получения непрерывной генерации в газовую смесь добавляют небольшое количество паров воды, что приводит к регенерации молекул CO₂, вероятно, в соответствии со следующей реакцией: СО + OH®CO₂+ Н.

Конструктивно лазеры на CO₂ можно разделить на три типа: с отпаянной трубкой; с медленной прокачкой (скорость газового потока порядка 1 м/с); с быстрой прокачкой (скорость потока около 30 м/с).

Отпаянные разрядные трубки лазеров на CO₂ являются наиболее распространенными благодаря сравнительно небольшим габаритным размерам, отсутствию системы прокачки рабочего вещества и простоте обслуживания. В качестве оптических элементов (в частности окон Брюстера на торцах трубок) обычно используются германий и арсенид галлия. Долговечность отпаянных трубок определяется в основном скоростью разложения углекислого газа. В отпаянных трубках с метра длины получают 20—30 Вт, а прокачка рабочей смеси дает возможность повысить удельную линейную мощность в два-три раза (до 50—70 Вт/м) и получить практически неограниченный срок службы.

Предельная линейная мощность прокачных лазеров ограничена главным образом перегревом рабочей смеси при попытках подвести к разряду повышенную электрическую мощность. Эти ограничения связаны с использованием в качестве основного механизма охлаждения активной среды молекулярной теплопроводности. Быстрое прохождение рабочей смеси через активный объем, ограниченный резонатором, позволяет отводить тепло вместе с газом и существенно поднять удельную мощность как на единицу длины, так и на единицу объема. При этом характерное время охлаждения активной среды, равное времени ее пролета через разрядный объем, может быть на несколько порядков меньше, чем время ее охлаждения за счет молекулярной теплопроводности, что позволяет увеличить удельную мощность, вкладываемую в разряд, при сохранении температуры газа на требуемом уровне. Удельная энергия, вкладываемая в единицу объема активной среды, пропорциональна ее плотности. Соответственно и удельная выходная энергия лазерного излучения примерно по такому же закону зависит от параметров активной среды и возбуждения, если считать, что КПД преобразования энергии, вкладываемой в энергию лазерного излучения, остается неизменным.

Удельная выходная энергия тем самым определяется только условием осуществления однородного разряда. Так, при КПД преобразования вкладываемой энергии в энергию лазерного излучения около 20% получаем, что атмосферному давлению соответствует удельная энергия излучения около 0,1 Дж/см³. При времени прокачки приблизительно 10^-4 с

Рис. 5. Схематическое изображение лазера на СО₂ с быстрой поперечной прокачкой: 1 – вентилятор (компрессор); 2 – область разряда; 3 –теплообменник. Черным цветом показаны зеркала резонатора.

это дает 10³ Вт/см, что на несколько порядков превышает максимальную удельную мощность электроразрядного лазера на CO₂, охлаждаемого за счет молекулярной теплопроводности.

В лазерах с быстрой прокачкой поток газа направляют поперек оси резонатора. При быстрой прокачке практически невозможно работать по открытому циклу, как это имеет место при медленной прокачке, поскольку рабочая смесь с дефицитным гелием будет выбрасываться в атмосферу и загрязнять окружающую среду. Поэтому лазеры с быстрой прокачкой работают по замкнутому циклу. В схему прокачки включают теплообменник и компрессор. В таком лазере удалось получить выходную мощность около 1 кВт с метра длины.

В настоящее время созданы лазеры на CO₂ с мощностью излучения до 100 кВт, но наиболее целесообразны с экономической точки зрения лазеры с мощностью 1—10 кВт. При мощностях выше 10 кВт более высокие показатели имеют лазеры с комбинированной накачкой, а при мощностях ниже 1 кВт целесообразно использовать лазеры с медленной прокачкой и свернутым резонатором.

Лазеры на CO₂ используются в качестве источника когерентного излучения сравнительно небольшой мощности в системах точных измерений, передачи информации, тонкой технологии, в медицине, в качестве источника мощного излучения в технологических установках для сварки, резки металлов, лазерного разделения изотопов, как источник оптической накачки лазеров далекого ИК диапазона и т. д.

Практическая часть

Внимание излучение лазера не видимо для глаз! Поэтому практическую часть нужно выполнять осторожно, без спешки аккуратно выполняя все действия описанные ниже. При любых сомнениях консультируйтесь с преподавателем.

Упражнение 1. Калибровка измерителя мощности ИМО-2Н

В качестве приёмника излучения в ИМО используется зачернённый конус, на котором расположены термопары, поэтому процессы измерения и калибровки проходят медленно. Каждый шаг калибровки и измерения должен занимать не менее 1-2 мин. Калибровка ИМО проводится следующим образом:

а) Включите ИМО-2Н и дайте ему прогреться 20 – 30 минут;

б) Выберите диапазон 0,01 Вт (красная клавиша). Переключатель поставьте в положение «Измерение» и с помощью регулировки «Уст. 0» установите стрелку на ноль;

в) Переключатель переведите в положение «Калибровка» (калибровка мощности) и установите стрелку с помощью отвёртки на крайнее деление шкалы (100);

г) Повторите действия по пунктам в) и б), добейтесь устойчивого повторения значений «0» и «100»;

д) Переключатель переведите в положение «Измерение» и переходите к выполнению следующего упражнения.

Упражнение 2. Измерение мощности СО₂-лазера.

Составьте измерительную схему, представленную на Рис.6.

Рис.6. Схема измерения мощности.

Внимание: измерения без ослабителя мощности производить категорически запрещается: измеритель ИМО-2 может выйти из строя.

Выполнение упражнения начните с калибровки измерителя ИМО-2. Максимальная мощность, которая может быть измерена этим прибором, составляет 1 Вт., а СО₂– лазер может вырабатывать существенно большую мощность. Поэтому вначале переключите ИМО на предел измерения мощности 1 Вт, установите ослабитель с коэффициентом ослабления 100, а затем, если возникнет необходимость уменьшайте коэффициент ослабления до нужной величины. Включите охлаждение лазера! Затем включите лазер, несколько раз замерьте мощность, определите среднее значение и погрешность измерения.

Упражнение 3. Получение диаграммы направленности отражённого излучения

В ходе выполнения этого упражнения необходимо исследовать отражение не менее, чем от двух образцов (образцы выдаются преподавателем). Соберите измерительную схему, представленную на рис. 6.

Рис. 7. Схема измерения мощности отражённого излучения.

Отрегулируйте схему с помощью линейки так, чтобы входное отверстие измерительной головки и луч лазера находились на одинаковой высоте, а расстояние от мишени до измерительной головки ИМО равнялось 10 см.(выдвинуть планку на головке на 10 см.). Установите ослабитель 10 и выполните следующие действия:

а) используя направляющую планку, укреплённую на измерительной головке, установите головку на минимально возможный угол по отношению к лучу лазера, так, чтобы луч не касался её корпуса, а планка была направлена на точку попадания луча на мишень. Этот угол нужно принять за 0 градусов и от него отсчитывать остальные углы при измерениях и постройке диаграммы;

б) включите лазер и, поворачивая мишень, добейтесь максимального отклонения стрелки измерителя. Это значение мощности будет соответствовать зеркальному отражению и углу 0⁰;

в) убедитесь, что при минимальном угле ИМО-2 не измеряет тепловое излучение лазерного пятна на образце. Для этого закройте крышкой входное отверстие ИМО и включите лазер примерно на 20 с. Затем выключите лазер, снимите крышку с ИМО и убедитесь, что стрелка прибора не отклоняется более, чем на 2-3 маленьких деления при нажатой крайней левой клавише (максимальная чувствительность). В противном случае увеличьте ослабление излучения лазера.

Измерьте мощность отражённого излучения, устанавливая измерительную головку под различными углами к лучу лазера (не менее 5-и положений) и по полученным данным составьте таблицу и постройте диаграмму направленности для каждого образца в полярной системе координат, откладывая значения мощности на соответствующих лучах. Расстояние от мишени до измерительной головки ИМО при каждом измерении должно быть 10 см.

Внимание! В процессе измерения обязательно используйте защитный экран для защиты глаз от излучения, отраженного от образца.

Упражнение 3. Измерение угла расходимости излучения СО₂-лазера.

Получите на двух различных расстояниях (например, 20см. и 200см.) от выходного отверстия лазера изображения лазерного пятна и из геометрических соображений рассчитайте угол расходимости лазерного луча. В качестве экранов для фиксации пятен можно использовать бумагу, не крашенные фанеру или дерево. Время экспозиции должно быть минимально, не допускайте процессов горения и большого почернения экранов. Пятна нужно зафиксировать и приложить к отчёту.

Внимание! Ни в коем случае не использовать в качестве экранов части тела, пластмассу, лакированные или окрашенные поверхности.

Контрольные вопросы

1. Особенности накачки в СО₂-лазере. Схема уровней.

2. Основные частоты молекулы СО₂.

3. Компоненты полной энергии молекулы.

4. Колебательно-вращательная структура линий генерации СО₂-лазера (с рисунком).

5. Правила отбора для вращательных квантовых чисел. P и R – ветви линии излучения СО₂-лазера.

6. Диффузное и зеркальное отражения. Диаграмма направленности.

7. Типы и выходные характеристики современных СО₂-лазеров.

8. Отчего зависит КПД работы СО₂ – лазера.

Ответы на контрольные вопросы включите в отчёт.

Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 444; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!