Исследование тлеющего разряда в СО2-лазере

2



Введение



Большую группу газовых лазеров составляют газоразрядные лазеры, в которых активной средой является разреженный газ (давление 1–10 мм рт. ст.), а накачка осуществляется электрическим разрядом, который может быть тлеющим или дуговым и создается постоянным током или переменным током высокой частоты (10–50 МГц).

Существует несколько типов газоразрядных лазеров. В ионных лазерах излучение получается за счет переходов электронов между энергетическими уровнями ионов. Примером служит аргоновый лазер, в котором используется дуговой разряд постоянного тока.

Лазеры на атомных переходах генерируют за счет переходов электронов между энергетическими уровнями атомов. Эти лазеры дают излучение с длиной волны 0,4–100 мкм. Пример – гелий-неоновый лазер, работающий на смеси гелия и неона под давлением около 1 мм рт. ст. Для накачки служит тлеющий разряд, создаваемый постоянным напряжением примерно 1000 В.

К газоразрядным относятся также молекулярные лазеры, в которых излучение возникает от переходов электронов между энергетическими уровнями молекул. Эти лазеры имеют широкий диапазон частот, соответствующий длинам волн от 0,2 до 50 мкм.

Наиболее распространен из молекулярных лазер на диоксиде углерода (СО2-лазер). Он может давать мощность до 10 кВт и имеет довольно высокий КПД – около 40%. К основному углекислому газу обычно ещё добавляют примеси азота, гелия и других газов. Для накачки применяют тлеющий разряд постоянного тока или высокочастотный. Лазер на диоксиде углерода создает излучение с длиной волны около 10 мкм.




1. Основные характеристики СО2-лазера



1.1 Устройство СО2-лазера



Схематически он показан на рисунке 1.1.





Рисунок 1.1 – Принцип устройства СО2-лазера



Разновидность СО2-лазеров – газодинамические. В них инверсная населенность, необходимая для лазерного излучения, достигается за счет того, что газ, предварительно нагретый до 1500 К при давлении 20–30 атм, поступает в рабочую камеру, где он расширяется, а его температура и давление резко снижаются. Такие лазеры могут дать непрерывное излучение мощностью до 100 кВт.

Для создания активной среды (как говорят, «накачки») СО2-лазеров чаще всего используют тлеющий разряд постоянного тока. В последнее время все шире применяют высокочастотный разряд. Но это особая тема. Высокочастотный разряд и те важнейшие применения, которые он нашел в наше время (не только в лазерной технике), – это тема отдельной статьи. Об общих принципах работы электроразрядных СО2-лазеров, проблемах, которые при этом возникают, и некоторых конструкциях, основанных на применении разряда постоянного тока.

В самом начале 70-х годов в ходе разработки мощных СО2-лазеров выяснилось, что разряду свойственны неизведанные доселе черты и губительные для лазеров неустойчивости. Они ставят почти непреодолимые препятствия попыткам заполнить плазмой большой объем при повышенном давлении, что как раз и требуется для получения больших лазерных мощностей. Пожалуй, ни одна из проблем прикладного характера не послужила в последние десятилетия прогрессу науки об электрическом разряде в газах так, как задача создания мощных СО2-лазеров непрерывного действия.



1.2 Принцип работы СО2 лазера



Активной средой почти любого лазера служит вещество, в определенных молекулах или атомах которого в определенной паре уровней можно создать инверсную заселенность. Это означает, что количество молекул, находящихся в верхнем квантовом состоянии, соответствующем радиационному лазерному переходу, превышает количество молекул, находящихся в нижнем. В отличие от обычной ситуации луч света, проходя через подобную среду, не поглощается, а усиливается, что открывает возможность генерации излучения.

Инверсия в СО2-лазере создается при помощи электрического разряда, каким механизмом – будет сказано чуть ниже. Чтобы луч усилился в высокой степени, он должен пройти в активной среде большой путь. Для этого ее помещают в резонатор. Самый простой резонатор – это два плоских зеркала, от которых случайно зарожденный луч отражается многократно. Одно из зеркал – полностью отражающее («глухое»), другое – полупрозрачное, чтобы выпускать излучение. Эти общие принципы почти в первозданном виде воплощены в простейшей конструкции СО2-лазера для небольших мощностей, примерно до 100 Вт (рис. 1).

В СО2-лазере используется переход между двумя колебательными (точнее, колебательно-вращательными) уровнями основного электронного состояния молекулы СО2. Длина волны излучения l = 10,6 мкм принадлежит далекой инфракрасной области. Линейная молекула СО2 может совершать колебания трех типов. Частота n1 соответствует симметричным колебаниям, n2 – деформационным, n3 – антисимметричным. Лазерный квант излучается при переходе из состояния 001 в 100; цифры означают квантовые числа колебаний n1, n2, n3. Возможный также переход 001 020 с l = 9,4 мкм весьма слаб. Энергия лазерного кванта составляет 41% энергии верхнего уровня 001. Это теоретический предел для КПД лазера. Если бы вся энергия при накачке шла исключительно на возбуждение уровня 001 СО2 и каждое возбуждение сопровождалось радиационным переходом 001 100, энергия лазерного излучения составляла бы 41% затрат. Реальный КПД всегда значительно ниже.

Верхний лазерный уровень в СО2-лазере возбуждается ударами электронов разрядной плазмы. Тлеющий разряд является одним из двух наиболее распространенных видов газового разряда постоянного тока (другой разряд – дуговой). Тлеющий разряд видели все – вспомните рекламные трубки на улицах. Плазменный столб между электродами может быть сделан любой длины, лишь бы было приложено достаточно напряжения. Столб может как угодно изгибаться, повторяя изгибы трубки. В СО2-лазерах применяют средние давления газа, р ї 10–50 Торр (1 Торр = 1 мм рт. ст.). Слабоионизованная плазма тлеющего разряда со степенью ионизации 10 – 8–10- 7 сильно неравновесна. Температура электронного газа Те ~ 104 К гораздо выше температуры газа тяжелых частиц Т, которая может не на много превышать комнатную (разрядной трубки нередко можно коснуться рукой). Степень ионизации на несколько порядков меньше термодинамически равновесной, соответствующей Те.

Целесообразность использования тлеющего разряда для накачки СО2-лазера состоит в том, что в молекулярных газах подавляющая часть выделяющейся энергии тока затрачивается на возбуждение молекулярных колебаний. Электрическое поле, поддерживающее плазму, сообщает энергию электронам – носителям тока, а те возбуждают колебания. Особенно эффективен в этом отношении азот, где до 95% энергии переходит первоначально в колебания молекул. Вместе с тем дальнейшее превращение этой энергии в энергию их поступательного движения («в тепло») происходит в азоте крайне медленно. Поскольку энергия первого колебательного уровня молекулы N2 очень близка к энергии уровня 001 СО2, открывается возможность быстрой резонансной передачи колебательного кванта от к СО2 с прямым заселением верхнего лазерного уровня. По этой причине в рабочий газ непременно добавляют азот, часто даже в большем количестве, чем сам СО2.

Сильной инверсии способствует не только интенсивное заселение верхнего уровня 001, но и быстрое расселение нижнего уровня 100, на который все время поступают молекулы, испустившие лазерный квант. Но наряду со столкновениями, дезактивирующими уровень 100, идет и его прямое возбуждение. В результате заселенность уровня 100 оказывается не очень далекой от равновесной, соответствующей поступательной температуре газа Т. Значит, для эффективной лазерной генерации температура газа должна быть достаточно низкой. Практически недопустим нагрев газа более чем на 200С.

Между тем в рабочем газе выделяется очень много тепла. Не вся энергия электронов затрачивается на возбуждение верхнего лазерного уровня СО2. Не все попавшие на этот уровень молекулы излучают лазерный квант. Если, как это обычно и бывает, КПД лазера составляет h ~ 10%, то 90% джоулева тепла тока идет в конечном счете на нагрев газа. Таким образом, обеспечение достаточно быстрого теплоотвода является необходимым условием работы СО2-лазера. В этом отношении очень полезно присутствие гелия в рабочем газе. Легкий гелий, обладая высокой теплопроводностью, ускоряет вывод тепла из разряда. Кроме того, атомы гелия способствуют дезактивации нижнего лазерного уровня. Обычно подбирают оптимальный для каждой конструкции состав газа, например в пропорциях СО2: N2: Не = 1: 1: 8 или 1: 6: 12 по числам молекул. Рабочая смесь со временем портится (разлагается СО2, образуются вредные в некоторых отношениях компоненты: СО, N2О и др.), так что смесь приходится медленно обновлять.

Из сказанного выше ясно, почему слабоионизированная и потому сильнонеравновесная плазма тлеющего (так же как и высокочастотного) разряда хороша для СО2-лазера, а плазма обычного дугового разряда не годится. В дуге атмосферного давления из-за относительно высокой степени ионизации (10 – 3–10 – 2) плазма равновесна и температура газа высока

(Т 1000–10 000 К).



1.3 Расчет основных показателей СО2 лазера



Основными параметрами характеризующие СО2 лазера, является

выделяемая энергия излучения Еn, длительности импульса генерации и возможная частота повторения импульсов излучения fn. Средняя мощность излучения в импульсе при этом составит



.



Энергия импульса лазерного излучения определяется возможными удельными энерговкладами, объемом активной среды и плотностью газа и определяется по формуле:







Рассчитаем эти величины с помощью Mathсada.






Рисунок 1.2 – Рассчет энергии импульса и мощности излучения.




2. Тлеющий разряд в СО2 лазаре



2.1 Способы организации несамостоятельного разряда постоянного тока



Несамостоятельный тлеющий разряд постоянного тока с ионизацией импульсно-периодическим разрядом (РПТ-ИР) используется для создания активной среды в электроразрядных технологических СО2-лазерах с быстрым поперечным протоком газа с непрерывной мощностью от 1 до 40 кВт. Этот метод был впервые использован для накачки СО2-лазеров в работах Рейли[1] и Хилла[2], о значительных практических достижениях сообщали Шашаков с сотр. [3], Сеген с сотр. [4], а также Генералов с сотр. [4]

На рисунке 2.1 изображено два способа организации несамостоятельного разряда постоянного тока с ионизацией импульсно-периодическим разрядом (РПТ-ИР).





Рисунок 2.1 – Способы организации несамостоятельного разряда постоянного тока


В схемах, используемых в работах[1] напряжение импульсно-периодического разряда и напряжение несамостоятельного разряда (постоянное или также импульсное) подаются на одни и те же электроды, как показано на рисунке 2.1, вверху. Пространственная однородность разряда в этом случае обеспечивается путем секционирования электродов, а также введением дополнительной предыонизации.

В другой схеме, разработанной Генераловым [1] (Рисунок 2.1, внизу) напряжение самостоятельного импульсно-периодического разряда прикладывается к дополнительной паре электродов, представляющих собой металлические пластины большой площади, изолированные от разрядного промежутка слоями диэлектрика. Этот тип вспомогательного разряда называется безэлектродным или емкостным импульсно-периодическим разрядом ЕИР, или емкостной импульсной предыонизацией. Для ЕИР характерна высокая импульсная мощность, необходимая для того чтобы создать однородную ионизацию в разрядном объеме, заключенном между диэлектрическими пластинами, при сравнительно низкой средней по времени мощности. Возбуждение колебательных степеней свободы молекул в однородно ионизованной среде осуществляется стационарным несамостоятельным основным разрядом, который можно охарактеризовать как разряд постоянного тока с ионизацией безэлектродным (емкостным) импульсно-периодическим разрядом РПТ-ЕИР. Постоянное напряжение основного разряда прикладывается к металлическим электродам в форме трубок (катода и анода), расположенных на входе и выходе газового потока в разрядной камере. Поток направлен от катода к аноду, перпендикулярно оптической оси резонатора. Две оставшиеся стенки разрядной камеры имеют отверстия для выхода излучения к зеркалам, расположенным снаружи. Проходы многопроходного оптического резонатора расположены Z-образно для лучшего заполнения излучением объема разрядной камеры.

Эта схема была предложена и разрабатывалась в течение длительного времени. На базе этих исследований был спроектирован ряд промышленных СО2-лазеров «Лантан» мощностью от 1,5 до 5 кВт[4]. Кроме того, была создана экспериментальная лазерная установка «Циклон» мощностью 10 кВт[4]. Эти лазеры отличаются высоким КПД, хорошим качеством излучения, широкими возможностями для управления мощностью, низким потреблением рабочих газов и высокой надежностью.

Высокие эксплуатационные характеристики этих лазеров достигнуты благодаря особенностям применяемой схемы РПТ-ЕИР: оптической однородности, простой электродной системе, низкой плазмохимической активности и оригинальной схеме управления мощностью основного разряда.

Ниже приведено подробное описание физики РПТ-ЕИР и особенностей его применения в мощных технологических СО2-лазерах. Рассматриваются достигнутые результаты и перспективы дальнейшего развития данного метода.





Рисунок 2.2 – Взаимное расположение электродов и эквивалентная схема ЕИР



2.2 Безэлектродный импульсно-периодический разряд



Безэлектродный (емкостной) импульсно-периодический разряд (ЕИР) относится к сравнительно хорошо изученным объемным импульсным разрядам, широко используемым в импульсных газовых лазерах. Отличительной особенностью ЕИР является то, что электроды, на которые подается импульсное напряжение, изолированы от разрядного промежутка пластинами диэлектрика (Рисунок 2). Этот необычный тип разряда исследовался теоретически и экспериментально в связи с применениями в СО2-лазерах[3]. Чтобы лучше понять процессы в разряде, рассмотрим простую модель.

Полагаем, что импульс напряжения имеет ступенчатую форму с напряжением U0 и пренебрежимо коротким передним фронтом. Первоначальная плотность электронов Ne0 считается распределенной однородно в разрядном объеме. В импульсно-периодическом разряде заметная концентрация электронов остается от предыдущего импульса. Распределение потенциала в разрядном промежутке считается однородным, слои пространственного заряда вблизи диэлектрических пластин считаются тонкими, а падение напряжения на них мало по сравнению с U0. В этих предположениях можно рассматривать схему, показанную на Рисунке 3, как эквивалентную ЕИР. Электрическое сопротивление плазмы разряда Rg связано с плотностью свободных электронов Ne в плазме разряда, Cg – емкость разрядного промежутка, Cd – емкость диэлектрических пластин.

Это приближение аналогично так называемой электротехнической модели7. В этой модели изменение электрического поля, тока и плотности электронов в разряде описывается системой нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений, которые легко интегрируются численно, и в результате получаются осциллограммы электрического поля в плазме, тока и плотности электронов, показанные на рисунке 2.3.





Рисунок 2.3 – осциллограмма электрического поля в плазме[1]


Для дальнейшего понимания полезно вывести основные соотношения и сделать оценки на основе простого физического рассмотрения. Считаем величину напряжения U0 достаточно большой, чтобы в разрядном промежутке начался процесс лавинной ионизации.

Когда плотность электронов достигает заметной величины, в плазме начинает течь электрический ток, приводящий к разделению положительных и отрицательных зарядов в разрядном промежутке, заключенном между диэлектрическими пластинами, что, в свою очередь, ведет к экранированию электрического поля в плазме. Когда электрическое поле в плазме из-за процесса поляризации падает ниже определенной величины, ионизация практически прекращается. Характерное время поляризации плазмы в электротехнической модели можно записать как RgCd/2 где Rg – электрическое сопротивление плазмы, а Cd – электрическая емкость пластин диэлектрика. Условия прекращения ионизации могут быть, следовательно, определены как [1],



TidRgC. (1.1)



Достигнутая при этом плотность электронов пропорциональна проводимости плазмы[1]: 



Nbf/RgfC/T1. (1.2)



На практике условие малости длительности фронта нарастания напряжения по отношению к характерному времени ионизации, определяемому величиной максимального значения приложенного напряжения U0P, обычно не выполняется, поскольку U0P, как правило, больше, чем требуется. Реальное электрическое поле в плазме из-за эффекта поляризации начинает снижаться до того, как приложенное к электродам напряжение достигнет максимального значения. Максимальная величина, до которой поднимается электрическое поле в плазме, зависит от скорости нарастания напряжения. Таким образом, и величина Ti, и длительность импульса тока, и амплитуда импульса тока определяются скоростью нарастания напряжения. Для более эффективной ионизации следует использовать импульсы напряжения с более крутым фронтом нарастания. При этом генератор должен обеспечивать достаточно высокую импульсную мощность и выдавать импульс тока соответствующей амплитуды. Ограничения, связанные с характеристиками выходной цепи импульсного генератора, приводят к уменьшению достижимой плотности свободных электронов в разряде.



2.3 Расчет КПД тлеющего разряда





Рисунок 2.4. Расчет КПД



Несамостоятельные разряды можно поддерживать при оптимальных для накачки рабочей среды и потому они обладают максимальными значениями ἠ=0,9 [3]. Поскольку свободные электроны в плазме имеют ограниченное время жизни, для поддержания квазистационарной концентрации электронов требуется определенная частота повторения импульсов. Основными процессами, приводящими к гибели свободных электронов в условиях непрерывного CO2-лазера, являются электрон-ионная рекомбинация и прилипание (образование отрицательных ионов). Времена жизни, определяемые этими процессами, лежат в пределах от 10 до 100 мкс, откуда требуемые частоты повторения импульсов – от 10 до 100 кГц.






Заключение

	

В данном курсовом проекте представлены результаты исследования тлеющего разряда в СО2-лазере.

В ходе выполнения проекта были рассмотрены основные характеристики СО2 лазера, его принцип работы, свойства тлеющего разряда, методы организации несамостоятельного разряда.

С помощью программы MATCAD был рассчитан КПД тлеющего разряда в СО2 лазере.






Список использованных литературных источников



	Hill, A.E. Continuous uniform excitation of medium pressure CO2 laser plasmas by means of controlled avalanche ionization, Applied Physics Letters 22, 1973 -673 p.

	Н.А. Генералов, В.П. Зимаков, В.Д. Косынкин, Ю.П. Райзер, Д.И. Ройтенбург. Стационарный несамостоятельный разряд с ионизацией безэлектродными импульсами в лазере на замкнутом цикле. I. Конструкция и эксперимент. – Физика плазмы, 1977, т. 3. - 633 c.

	Н.А. Генералов, В.П. Зимаков, В.Д. Косынкин, Ю.П. Райзер, Н.Г. Соловьев. Быстропроточный технологический СО2-лазер комбинированного действия – Квантовая электроника, 1982, т. 9, -1557 c.

	Велихов Е.П., Письменный В.Д., Рахимов А.Т. Несамостоятельный газовый разряд, возбуждающий непрерывные СО2-лазеры. – Успехи физических наук, 1977, том 122, вып. 3, - 447 c.