Электрические методы обработки материалов - Могорян Н.В.
Скачать (прямая ссылка):
применять его с большей экономической эффективностью в различных
технологических процессах обработки этих материалов.
Возбуждение газовой активной среды осуществляется различными методами.
Наиболее распространен метод возбуждения с помощью электрического
разряда. Основными механизмами при этом являются возбуждение атомов или
молекул электронным ударом и передача энергии возбуждения при
столкновениях атомов и молекул. В последние годы интенсивно
разрабатываются новые методы возбуждения газовых активных сред -
химический и газодинамический. В химических лазерах инверсия
энергетических уровней (возбужденное состояние атомов) возникает
непосредственно в процессе элементарной химической реакции, в
газодинамических - за счет различия скоростей колебательных переходов
молекул, вызываемых их столкновениями в процессе звукового расширения
газа.
Из всего многообразия газовых лазеров наиболее технологически применимы
лазеры на нейтральных атомах гелий - неон, молекулярные ОКГ - на азоте и
углекислом газе, ионные - на аргоне, криптоне, ксеноне и парах кадмия.
137
1
3
Рис. 84
Большинство газовых лазеров имеют общую структурную и конструктивную
схему и состоят, как правило, из двух блоков - собственно ОКГ и блока
питания (рис. 84). Кварцевая трубка 1 заполняется смесью газов, например
гелий - неон, под давлением 1 мм рт. ст. для гелия и 0,1 мм рт. ст. для
неона (число атомов гелия в 10 раз больше числа атомов неона). С помощью
электродов 2 от специального высоковольтного генератора переменного тока
3 частотой 20-30 МГц в трубке возбуждается электрический разряд, который
приводит к возбуждению атомов, находящихся в кварцевой трубке. На концах
трубки 1 установлены плоскопараллельные непрозрачное 4 и полупрозрачное 5
зеркала 15, 6].
Активной средой является столб (плазма) тлеющего или дугового разряда в
смеси гелия и неона. Однако основным рабочим веществом, обеспечивающим
индуцированное когерентное излучение лазера, являются нейтральные атомы
неона. В плазме за счет неупругих соударений с электронами при хаотичном
движении часть атомов неона переходит на долгоживущие (устойчивые)
энергетические уровни Ез и Е4 (возбуждаются) (рис. 85), благодаря чему
создается частичная инверсия их заселенности по сравнению с
короткоживущим уровнем Е2, т. е. такое соотношение между заселенностями
энергетических уровней, при котором число атомов на верхнем из данной
пары уровней больше, чем на нижнем.
ifTT
III
uj "______________
II
Рис. 85
Рис. 86
При разряде в атмосфере чистого неона этот механизм создания инверсного
состояния не имеет решающего значения из-за наличия метастабильного
уровня Е\. Его заселенность всегда достаточно большая, и часть атомов,
находящихся на этом уровне, может переходить (возбуждаться) на уровень Е%
на который происходят индуцированные (вынужденные) переходы с уровней Е3
и Е$. Таким образом, метастабильный уровень Е1 представляет собой
своеобразный "резервуар", питающий уровень Е2 и мешающий его опустошению.
Эту задачу решают двумя путями: вводят буферный газ гелий, способствующий
более интенсивному заселению уровней Е3 и Ei, а также создают
искусственные условия для разгрузки уровней Е\ и Е2.
Как видно на рис. 85, два возбужденных уровня атома гелия Е\ и Е2
(которые также являются долгоживущими) совпадают с уровнями Е3 и Ец атома
неона. При столкновениях возбужденного атома гелия с нейтральным атомом
неона происходит резонансная передача энергии, результатом которой
являются возбуждение атомов неона и переход на энергетический уровень Ео
атомов гелия. Соответствующим подбором парциальных давлений гелия и неона
в их смеси можно добиться преимущественного заселения уровней Е3 и Ei и
получить индуцированные переходы в красной (с уровня Е3) и инфракрасной
(с уровня ЕЕ) областях спектра.
В гелий-неоновом лазере удалось получить световые излучения с пятью
различными длинами волн. Причина такого разнообразия заключается в том,
что уровни Е3 и Е\ состоят из отдельных подуровней: у ?4 их
четыре, у ?3- десять. Поэтому возможны различные комбинации переходов,
каждой из которых соответствует своя длина волны.
Опустошение энергетического уровня Еч осуществляется за счет увеличения
вероятности соударения атомов неона со стенками разрядной трубки, для
чего ее внутренний диаметр изготавливается размерами 1,5- 3 мм. При
больших диаметрах разрядного капилляра интенсивность излучения гелий-
неонового лазера быстро падает. Это можно объяснить практическим
исключением механизма опустошения уровней Еч атомов неона в центральной
части трубки, для которых время движения к стенкам трубки уже превышает
время пребывания атома в возбужденном состоянии.
Среди молекулярных газовых лазеров лазер на СОг представляет наибольший
интерес и с практической, и с научной точки зрения. Он имеет уникальные
параметры: высокое значение коэффициента усиления выходной мощности и КПД
как в импульсном, так и в непрерывном режимах. В этом типе лазеров
