От температуры активной среды

Мощность генерации лазера определяется коэффициентом усиления активной среды, а коэффициент усиления, в свою очередь, пропорционален инверсии. Поэтому, чтобы определить зависимость мощности от температуры, необходимо определить зависимость от температуры инверсии населенностей на лазерном переходе, т.е. определить функцию [N (Т) — N (Т)]=f(Т), где N и N — населенности верхнего и нижнего уровнейлазерного перехода соответственно. Прежде, чем перейти к определению этой функции, сделаем отступление в виде трех замечаний.

Замечание1

Оценим величину плотности тока разряда. Очевидно, она равна

J = j +j (1.10)

 

j=j +j =n eυ + n eυ = ne(υ + υ ) (1.11)

Т.к. υ >>υ , то формулу (1.11) можно записать в виде

j=j +j j (1.12)

 

Замечание 2

Оценим электрическую мощность, выделяемую в ГР. Если напряженность электрического поля в разряде Е, плотность тока (согласно замечанию 1) j j , выделяемая в разряде мощность Р, объем ГР V, то электрическая мощность, выделяемая в единице объема ГР, равна P/V=E виде j , откуда

P= (Ej )V (1.13)

Будем считать, что V = const, а изменяются только давление р газа и его температура Т. Тогда по закону Шарля

p/T=p /T , откуда p=T p /T , (1.14)

где p и T -начальные значения давления и температуры газа.

Известно, что давление — это энергия в единице объема. Тогда можно записать, что

 

p=Pt/V, откуда TP /T =jEt. (1.15)

Отсюда следует, что

Т ~ jE. (1.16)

Замечание 3

В результате интенсивного обмена между вращательными и поступательными степенями свободы молекул СО в рабочей смеси лазера устанавливается термодинамическое равновесие. Следовательно, распад населенности по вращательным подуровням подчиняется Больцмановскому закону:

N (1.17)

для СО -молекул В = 0,39 см , N — полная населенность на колебательном состоянии v, N — населенность на вращательном подуровне j колебательного состояния v.

После сделанных замечаний вернемся к обсуждению инверсии. Будем теперь исходить только из качественных соображений. Выделяющаяся в ГР электрическая мощность jE идет частично на резонансное возбуждение верхнего уровня (с КПД η 80%), а оставшаяся часть идет на нагревание газа (с КПД η 20%). Тогда

• в результате нагрева газа до температуры Т все состояния его молекул

в отсутствие лазерной генерации) приобретут некоторую заселенность, в том числе и нижнее состояние 1 лазерного перехода, которое будет находиться в равновесии с основным в соответствии с Больцмановским распределением:

N ~e , (1.18)

т.е. населенность нижнего уровня лазерного перехода будет экспоненциально увеличиваться с ростом температуры;

*верхнее состояние 2 лазерного перехода, ввиду более высокого расположения, практически не заселяется, поскольку для этого мала температура. Однако оно заселяется резонансным электронным ударом. Его заселенность N ~ j E ~ Т, т.е. населенность верхнего уровня лазерного перехода также будет увеличиваться с ростом температуры, но уже не по экспоненциальному закону, а линейному. Качественно зависимости N , (Т) и N (Т) приведены на рис. 26.

Рис. 26 Рис. 27

Наибольшее значение инверсии (N — N ) соответствует некоторой Т . В точке Т

N = N и инверсия пропадает. Если учесть,что имеет место генерация, а следовательно и релаксация с верхнего уровня, то зависимость N (Т) будет иной (пунктирная линии). Но качественно ход рассуждений не меняется. Для СО -лазеров Т 700 — 800К, а Т 400- 500К.

Таким образом, одним из основных условий работы -лазера является обеспечение и поддержание температуры его рабочей смеси вблизи значения Т . Недопустимость перегрева его рабочей смеси выше этого значения требует его эффективного охлаждения. Отвод теплоты от рабочей смеси СО -лазера может осуществляться либо за счет теплопроводности к охлаждаемой стенке разрядной трубки (диффузионное охлаждение), либо путем замены (прокачки) нагретой порции газа новой (конвективное охлаждение).

Иногда ГЛ с диффузионным охлаждением называют ГЛ с медленной прокачкой, а ГЛ с конвективным охлаждением — ГЛ с быстрой прокачкой. В свою очередь, прокачка смеси может осуществляться как вдоль оси разрядной камеры (продольная прокачка), так и перпендикулярно ей (поперечная прокачка). Рассмотрим эти способы подробнее.