Перечень вопросов:

1. CO₂ – лазер.

2. Волоконно-оптические линии связи.

Со2-лазер

Традиционно принято классифицировать лазеры по следующим признакам:

1) агрегатному состоянию лазерного вещества:

а) газовые

б) жидкостные

в) твердотельные

г) полупроводниковые

2) методу накачки:

а) химические

б) газодинамические

в) газоразрядные

г) инжекционные и др.

3) временному режиму генерации:

а) непрерывные

б) импульсные

в) импульсно-периодические

4) частотному режиму генерации:

а) одномодовые

б) многомодовые

в) одночастотные

5) уровню генерируемой энергии излучения

6) эксплуатационным параметрам.

В настоящее время известно много лазеров, активной средой в которых являются молекулярные газы и их смеси.

СО₂-лазер был создан в 1965г С. Пейтелом и обладает уникальными характеристиками: высокими значениями коэффициента усиления, выходной мощности и КПД как в импульсном, так и непрерывном режимах.

Этот лазер работает на вынужденных переходах между колебательными уровнями молекулы СО₂. Молекула СО₂имеет линейную структуру, в которой атомы кислорода могут совершать симметричные (мода ν ₁), деформационные (мода ν ₂) и асимметричные (мода ν ₃) колебания относительно атома углерода. Употребляемые для описания состояний такой молекулы квантовые числа ν ₁ , ν ₂ , ν ₃ характеризуют число квантов, соответствующих колебаний данного типа.

Использование активной среды на основе чистого СО₂не позволяет получить хорошие лазерные характеристики. Это связано с невысокой эффективностью процессов возбуждения и поддержанием инверсии населенностей между уровнями ε₅, ε₄и ε₃молекулы СО₂.

Резкий рост показателей СО₂-лазера был достигнут введением в состав смесиN₂иHe. МолекулаN₂ имеет колебательный энергетический уровень ν=1, почти точно совпадающий с уровнем ε₅ (001) молекулы СО₂. Поскольку переход ε′₂→ ε′₁для молекулы азота безызлучательный, то она является эффективным «донором» для молекулы СО₂. В СО₂-лазерах молекулы Не способствуют расселению нижних уровней ε₄, ε₃,ε₂молекулы СО₂и обеспечивают выравнивание и понижение температура смеси. Вместо Не можно применять с той же целью пары воды. Характеристики активной среды в большой мере определяются системой накачки и назначением лазера. Оптимальная температура активной среды для СО₂-лазера составляет 300-400 К и может несколько снижаться с ростом давления.

Углекислотный лазер производит луч инфракрасного света, длина волны которого колеблется в промежутке 9.4 – 10.6 микрометров. Активная лазерная среда углекислотного лазера представляет собой газовую разрядку, которая охлаждается воздухом, а иногда водой. В пределах выпускной трубы находит газ, который состоит, прежде всего, из углекислого газа и азота (оба газа в пропорциях по 10-20 %), нескольких процентов водорода или ксенона, а остальное пространство заполнено гелием. Пропорции содержания газов и методов охлаждения меняются в зависимости от особенностей использования лазера. Сначала через электронное воздействие приводится в активное состояние азот, затем происходит передача энергии между молекулами азота и углекислого газа, приводя к инверсии, необходимой для появления лазера.

Широкомасштабной областью применения СО₂-лазера является обработка материалов. Во многих случаях этот лазер превосходит традиционные инструменты. Его преимущества состоят в том, что он позволяет с высокой точностью управлять мощностью пучка, при работе с ним отсутствует механический контакт с обрабатываемой деталью и острая фокусировка лазерного пучка в представляющей интерес области ограничивает величину воздействующей на деталь энергии и тем самым можно избежать нежелательной деформации или разрушения материала.

С помощью СО₂-лазера достигнуты большие успехи в технологии резания и плавки материалов. Стальные пластины толщиной в несколько сантиметров легко разрезаются лазером мощностью 10кВт. Различные металлы, не пригодные для сварки с применением традиционной технологии, сейчас можно обрабатывать с помощью СО₂-лазеров.

Лазеры малой (менее 100 Вт) мощности также нашли применение в производстве, где они используются для обработки небольших деталей и микросварки. Без побочных термических эффектов можно осуществлять удаление, плавление и испарение тонких слоев металла. Излучение СО₂-лазера с длиной волны 10мкм лучше поглощается многими синтетическими материала и поэтому более эффективно для их обработки, чем излучение твердотельных лазеров ближнего ИК-диапазона. Именно поэтому СО₂-лазер также очень эффективно применяется для различного рода маркировки. Сверхкороткие импульсы с большой энергией представляют большой интерес для лазерного термоядерного синтеза.

СО₂-лазер, как и любой другой газовый лазер, потребляет электрическую энергию, часть которой преобразуется в энергию лазерного излучения на длине волны около 10мкм. Разница между вкладываемой и получаемой на выходе мощностью превращается в тепло, которое необходимо отвести. Для увеличения выходной мощности необходимо увеличить вкладываемую мощность, но технические и физические ограничения лимитируют величину входной энергии. Действительно, способ отвода тепла характеризует тип лазера: например, отпаянные лазеры непрерывного действия, мощные быстропрокачные лазеры и импульсные лазерные системы.

В процессе работы СО₂-лазера происходит обмен энергией между низколежащими колебательно-вращательными энергетическими уровнями молекулы СО₂. Под действием излучения молекулы из высокоэнергетических состояний переходят в состояния с меньшей энергией. Разность энергии этих верхних и нижних состояний определяют энергию, которая преобразуется в инфракрасное излучение. В электрическом разряде верхний лазерный уровень молекулы СО₂возбуждается либо прямым электронным ударом непосредственно из основного состояния, либо за счет резонансной передачи возбуждения при столкновении с колебательно-возбужденной молекулой азота. В обоих случаях вкладываемая энергия должна быть не меньше энергии верхнего состояния. Как следует из простого рассмотрения энергетической диаграммы уровней молекулы СО₂, максимальной возможный КПД такой системы равен 38%. Однако эта величина, называемая также квантовым выходом, представляет собой теоретический предел, недостижимый для любого реального СО₂-лазера. КПД хорошо сконструированных СО₂-лазеров достигается в лучше случае 20% вкладываемой электрической энергии.

Во всех типах СО₂-лазеров на процесс генерации существенно влияет температура газа разряда, т.е. температура активной среды. Это налагает еще одно ограничение. По мере того как в газ вкладывается все большая мощность, температура его повышается и поэтому растет населенность нижнего лазерного уровня. Следовательно, потери излучения возрастают за счет поглощения при переходах с нижнего уровня. Поэтому на практике при увеличении энерговклада вначале наблюдается рост выходной мощности генерации, но по достижении некоторого уровня накачки выходная мощность лазера стабилизируется и, когда температура газа становится выше ~ 150°С, начинает падать.

Зная эти принципиальные ограничения, можно оценить выходные характеристики лазера. Они полностью зависят от метода, который применяется для охлаждения лазерной системы. Существуют три основных пути отвода этой ненужной тепловой энергии. Простейший способ основан на использовании свойств теплопроводности самого газа. Теплота передается охлаждаемым стенкам емкости, в которой находится газ. Данная методика широко распространена в непрерывных лазерах с выходной мощностью ≤ 100 Вт. Другой способ избавиться от излишней теплоты сводится попросту к удалению нагретого газа. Это имеет место в так называемых системах с быстрой прокачкой, работающих при уровнях выходной мощности порядка нескольких киловатт. Третий метод основан на использовании теплоемкости активной среды. Максимальный энерговклад в импульсных лазерах, опять-таки ограничиваемый газовой температурой, равен приблизительно 300 Дж на литр газа при атмосферном давлении. При этом может быть достигнута мощность генерации около 40 Дж на литр активной среды. Как энерговклад, так и энергия генерации пропорциональны плотности газа.