ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

С02 ЛАЗЕР

В этом лазере в качестве активной среды используется специальная смесь газов С02, и Не [8, 9]. Генерация происходит на переходе между двумя колебательными уровнями молекулы С02, а азот и гелий, как будет показа­но ниже, значительно повышают КПД лазера.

С02 лазер является одним из самых мощных (на газодинамическом С02 лазере получена выходная мощность порядка 100 кВт) и одним из наиболее эффективных лазеров (дифференциальный КПД 15-20% ).

На рис. 10.9 приведены схемы энергетических уровней основных элек­тронных состояний молекул С02 иК2. Поскольку N2 является двухатомной

Я 3000 И «

1000 -

Рис. 10.9 Низшие колебательные уровни ОСНОВНОГО электронного СОСТОЯНИЯ молекул С02 и N2 (для простоты картины здесь не показаны вращательные уровни)

С

-о

Рис. 10.10

Три фундаментальные колебательные моды молекулы С02: (V!) симметричная валентная мода, (у2) деформированная мода, (у3) асимметричная валентная мода

Молекулой, она имеет лишь одну колебательную моду, два нижних энерге­тических уровня которой (и = 0, и = 1) показаны на рисунке. Структура энер­гетических уровней молекулы СО2 более сложная, поскольку эта молекула является линейной трехатомной. Здесь имеются три невырожденные коле­бательные моды (рис. 10.10), а именно: 1) симметричная валентная мода, 2) деформационная мода и 3) асимметричная валентная мода. Поэтому коле­бания молекулы описываются тремя квантовыми числами п19 п2 и п3, кото­рые определяют число квантов в каждой колебательной моде. Это означает, что энергия, отсчитываемая от нулевого уровня, задается с помощью выра­жения Е = 1г1 + Лу2 + Лу3, где ух, у2иу3 — резонансные частоты трех мод. Например, уровню 01*0 соответствует колебание, деформационная мода (мода 2) которого имеет один колебательный квант.[64] Поскольку из трех ти­пов колебаний моде 2 соответствует наименьшая постоянная упругости (эти колебания являются поперечными), рассматриваемый уровень имеет наи­меньшую энергию. Генерация происходит на переходе между 00° 1 и Ю°0

Уровнями (X = 10,6 мкм), хотя также можно получить генерацию и на пере­ходе между уровнями 00°1 и 02°0 (X = 9,6 мкм).

Накачка на верхний лазерный уровень 00° 1 происходит очень эффектив­но благодаря следующим двум процессам:

1. Непосредственные столкновения с электронами. Очевидно, что основ­ной тип столкновений, который следует рассмотреть, имеет вид: е + С02(000) —>

Е + С02(001). Сечение столкновения с электроном для данного процесса очень велико и намного превышает соответствующие сечения возбуждения уровней 100 и 020. Возможно, это связано с тем, что переход 000 —> 001 опти­чески разрешен, в то время как переход, например, 000 -> 100 не является таковым. Кроме того, следует отметить, что прямой электронный удар может приводить и к возбуждению верхних (0, 0, п) колебательных уровней молеку­лы С02. Однако молекула С02 быстро релаксирует с этих верхних состояний в состояние (001) посредством околорезонансных столкновений типа[65]:

С02(0, 0, п) + С02(0, 0, 0) -> С02(0, 0, п - 1) + С02(0, 0, 1). (10.2.5)

Данный процесс приводит к релаксации всех возбужденных молекул в состояние (001). Заметим, что наиболее вероятным является столкновение возбужденной и невозбужденной молекулы, поскольку большинство моле­кул С02 в газовой смеси все же находятся в основном состоянии.

2. Резонансная передача энергии от молекулы ЛГ2. Этот процесс имеет так­же большую эффективность благодаря тому, что разница энергий между воз­бужденными уровнями двух молекул невелика (АЕ = 18 см-1). Кроме того, очень эффективным является процесс возбуждения молекулы 1Ч2 из основно­го состояния на уровень V = 1 при столкновениях с электронами, причем уро­вень V = 1 является метастабильным. В самом деле, переход 1 —» 0 является запрещенным (в электродипольном приближении), поскольку в силу своей симметрии молекула Ы-Ы не может обладать полным дипольным моментом. Наконец, более высокие колебательные уровни молекулы 1Ч2 находятся почти в резонансе (АЕ < кТ) с соответствующими уровнями молекулы С02 (вплоть до уровня 00°5), а переходы между возбужденными уровнями ООп и 001 молеку­лы С02 происходят с очень большой скоростью за счет процесса (10.2.5).

Рассмотрим теперь релаксацию верхнего и нижнего лазерных уровней. С этой целью заметим, что, хотя переходы 00°1 -> 10°0,00°1 —> 02°0,10°0 —> 01°0 и 02°0 -> 01°0 оптически разрешены, соответствующие времена релаксации для спонтанного излучения очень велики (напомним, что т8р ос 1/у3). Поэтому релаксация различных указанных уровней в большей мере определяется столк­новениями. В соответствии с этим время релаксации верхнего лазерного уров­ня т8 можно представить через сумму:

(1/т,) = 2>й. (10.2.6)

Где Р1 — парциальные давления, а аь — константы, соответствующие каждой компоненте газовой смеси в разряде. Рассматривая, например, случай, когда полное давление смеси равно 15 мм рт. ст. (при парциальных давлениях С02:Ы2:Не в отношении 1:1:8), находим, что время жизни верхнего лазерно­го уровня составляет т8 = 0,4 мс. Что касается скорости релаксации нижнего уровня, то прежде всего заметим, что вероятность перехода 100 -» 020 очень велика и этот переход происходит очень быстро даже в изолированной моле куле. Действительно, разность энергий этих Д1#х уровней много меньше кТ Кроме того, эти состояния взаимодействуют друг с другом (резонанс Ферми,, поскольку деформационное колебание стремится изменить расстояние меж­ду атомами кислорода (т. е. вызывает симметричное растяжение). При этот уровни 10°0 и 02°0 эффективно связаны с уровнем 01*0 (УК-релаксация) по* средством двух процессов — околорезонансных столкновений с молекула­ми СО2 в основном состоянии:

С02(10°0) + С02(00°0) -> С02(0110) + С02(0110) + АЕ, (10.2.7а) С02(02°0) + С02(00°0) -> С02(0110) + СО^О^О) + АЕ. (10.2.76)

Вероятность этих двух процессов достаточно велика, поскольку АЕ и АЕг много меньше величины кТ. Следовательно, населенности трех уровней 10°0, 02°0 и 01*0 достигают теплового равновесия за очень короткое время.

Теперь осталось определить скорость релаксации с уровня 01*0 на основ­ное состояние 00°0. Если бы она была небольшой, то это привело бы к акку­мулированию молекул на уровне 01*0 во время генерации лазера, а затем к накоплению населенности на уровнях 10°0 и 02°0, поскольку они находятся в тепловом равновесии с уровнем 0110. Таким образом, произошло бы замед­ление процесса релаксации всех трех уровней, т. е. в общем процессе релак­сации переход 01*0 -> 00°0 представлял бы собой «узкое место». В связи с этим важно изучить вопрос о времени жизни уровня 014). Заметим, что, по­скольку переход 01*0 -» 00°0 обладает наименьшей энергией, релаксация с уровня 01*0 может происходить только путем передачи этой энергии в энер­гию поступательного движения сталкивающихся частиц (УТ-релаксация). Из теории столкновений известно, что энергия с большей вероятностью пе­редается более легким атомам, т. е. в нашем случае — гелию. Это означает» что время жизни уровня снова определяется выражением типа (10.2.6), при­чем коэффициент аь для Не много больше, чем для остальных частиц. При тех же парциальных давлениях, что и в рассмотренном выше примере, вре-" мя жизни составляет около 20 мкс. Из всего вышеизложенного следует, что это же значение времени жизни имеет и нижний лазерный уровень. За счет того, что время жизни верхнего лазерного состояния намного больше, насе­ленность будет накапливаться на верхнем лазерном уровне и условие непре­рывной генерации будет выполняться. Заметим, что наличие гелия приво­дит и к другому важному эффекту — за счет своей высокой теплопроводно­сти гелий способствует поддержанию низкой температуры С02 вследствие отвода теплоты к стенкам газоразрядной трубки. Низкая температура посту­пательного движения С02 необходима для того, чтобы избежать заселенно­сти нижнего лазерного уровня за счет теплового возбуждения, поскольку разность энергий между уровнями в действительности сравнима с кТ. Таким образом, благоприятное воздействие, которое оказывают на лазер молекулы

1 Заметим, что в силу симметрии заселяются лишь уровни с нечетными значениями J мо­лекулы со2.

Основной вклад в ширину линии генерации С02 лазера дает эффект Доп­лера. Однако по сравнению с лазером, скажем видимого диапазона, из-за низкой частоты у0 лазерного перехода доплеровская ширина линии доволь­но мала (около 50 МГц) (см. пример 3.2). Однако теперь уже нельзя пренеб­регать столкновительным уширением (см. пример 3.3), которое становитс весьма преобладающим в С02 лазерах, работающих при высоком полном да лении газовой смеси (р > 100 мм рт. ст.).

С точки зрения конструкции, С02 лазеры можно подразделить на восемь* типов: (1) лазеры с медленной продольной прокачкой, (2) отпаянные лазе* ры, (3) волноводные лазеры, (4) лазеры с быстрой продольной прокачко&, (5) лазеры с диффузионным охлаждением, (6) лазеры с поперечной прокач­кой, (7) лазеры с поперечным возбуждением при атмосферном давлении (ТЕА лазеры) и (8) газодинамические лазеры. Здесь не будет рассматриваться газодинамический лазер, поскольку принцип его работы уже был описан в разделе 6.1. Прежде чем рассматривать отмеченные лазеры, следует указать на то, что, хотя они и отличаются друг от друга по многим своим рабочим параметрам (например, выходной мощности), все они имеют общую важную особенность, а именно высокий дифференциальный КПД (15-25%). Столь высокий КПД является следствием большого квантового выхода (~40%; см^ рис. 10.9) и высокоэффективного процесса накачки, который имеет место ш С02 лазере при оптимальной электронной температуре разряда (см. рис. 6.28)*:

1. Лазеры с медленной продольной прокачкой. Впервые генерация в СО^ лазере была получена в лазере именно такого типа (Ч. Пател, 1964 г. [10]). В данном лазере газовая смесь медленно прокачивается вдоль лазерной труб^ ки (см. рис. 10.12) лишь для того, чтобы удалить продукты диссоциации, Ш частности СО, которые в противном случае загрязняют лазерную среду. От« вод тепла обеспечивается теплопередачей в радиальном направлении к стек*« кам трубки (обычно стеклянным), которые охлаждаются извне подходящим теплоносителем (как правило, водой). Часто применяется конструкция й внутренним зеркалом, и, по крайней мере (в конфигурации рис. 10.12) оди» из металлических держателей, который включает в себя зеркало резонато* ра, должен находиться под высоким напряжением.

Одно из главных ограничений этого лазера состоит в том, что независим# от диаметра трубки в нем имеет место верхний предел выходной мощности

->млммлл

Охлаждающая

Жидкость

ГИзолятор

Уг/А'Л

ЗеркалоX

Рис. 10.12

Схематическое изображение С02 лазера с продольной прокачкой газа

С единицы длины разряда (50-60 Вт/м). Действительно, из выражения (6.4.24) получаем, что число молекул, накачиваемых на верхний лазерный уровень в единице объема за единицу времени, можно записать в виде:

(10.2.8)

Где J — плотность тока, а — соответствующее сечение возбуждения электрон­ным ударом, в которое входит как прямое возбуждение, так и возбуждение посредством передачи энергии, — полная населенность основного состоя­ния молекулы С02. Для скоростей накачки, намного превышающих порого­вое значение, выходная мощность Р пропорциональна величине (йЛ^/^Ор и объему активной среды Уа. Исходя из уравнения (10.2.8) можно записать:

РосМуаос^Ч,

Где В — диаметр активной среды, I — ее длина, а р — давление газа. При оптимальных рабочих условиях имеем следующее:

■ для поддержания оптимальной электронной температуры разряда долж­но быть постоянным произведение рВ [-22,5 (мм рт. ст.) • см; например 15 мм рт. ст. при В = 1,5 см];

■ из-за ограничений на тепловыделение, связанных с необходимостью от­вода тепла к стенкам трубки, существует оптимальное значение плотно­сти тока, причем оно обратно пропорционально диаметру трубки В.

Тот факт, что оптимальное значение J должно существовать, можно понять, если заметить, что избыточная плотность тока приводит к избыточному на­греву смеси (даже если КПД составляет 20%, тем не менее, около 80% элек­трической мощности рассеивается в разряде в виде тепла), вследствие чего имеет место тепловая заселенность нижних лазерных уровней. С другой сто­роны, обратно пропорциональную зависимость оптимального значения J от В можно объяснить, принимая во внимание тот факт, что чем больше диаметр трубки, тем более затруднена передача выделяющегося тепла к стенкам. Из этих рассуждений можно заключить, что при оптимальных условиях оба параметра *1 ир обратно пропорциональны величине В и, следовательно, в соответствии с выражением (10.2.9), оптимальное значение Р определяется лишь длиной трубки /.

С02 лазеры с медленной продольной прокачкой относительно низкой мощ­ности (50-100 Вт) широко используются в лазерной хирургии, для подгонки резисторов, для резки керамических пластин в электронной промышленно­сти и сварки тонких металлических листов (толщиной меньше 1 мм).

2. Отпаянные лазеры. Если в устройстве, показанном на рис. 10.12, ос­тановить прокачку газовой смеси, то через несколько минут генерация пре­кратится, поскольку продукты химической реакции (в частности, молеку­лы СО), образующиеся в разряде, будут не удаляться, а поглощаться стенка­ми трубки илч начнут взаимодействовать с электродами, нарушая таким образом равновесие в смеси С02-С0-02. В конечном счете, это приведет к диссоциации большого числа молекул С02 в газовой смеси. Чтобы обеспе­чить регенерацию молекул С02 из СО, в газоразрядной трубке отпаянного
лазера должен находиться определенный катализатор. Для этого в газовую смесь можно просто добавить небольшое количество паров воды (около 1% ). В данном случае регенерация молекул С02 осуществляется, по-видимому, благодаря следующей реакции:

СО* +0Н-4С0£ +Н, (10.2.10

В которой участвуют колебательно-возбужденные молекулы СО и С02. Тр буемое сравнительно небольшое количество паров воды можно получить, добавляя в разряд газообразный водород и кислород. В действительности оказывается, что в смесь необходимо добавлять только водород, поскольку кислород образуется в процессе диссоциации молекул С02. Другая возмож­ность инициирования реакции релаксации основана на использовании горя­чего (300°С) никелевого катода, который играет роль катализатора. Приме­нение этих методов привело к созданию отпаянных трубок с долговечностью более 10 ООО ч. Выходная мощность отпаянных лазеров с единицы длины составляет около 60 Вт/м, что сравнимо с мощностью лазеров с продольной прокачкой газа. Маломощные (порядка 1 Вт) отпаянные лазеры с коротким резонатором (что позволяет работать в одномодовом режиме) нередко приме­няются в качестве гетеродинов в экспериментах по оптическому гетеродини - рованию. Отпаянные С02 лазеры с более высокой мощностью (порядка 10 Вт) привлекают внимание ученых с точки зрения использования их в лазерной микрохирургии, а также в микрообработке.

3. Капиллярные волноводные лазеры. Если диаметр лазерной трубки на рис. 10.12 уменьшить до нескольких миллиметров (2-4 мм), то лазерное из­лучение в трубке будет распространяться, как в волноводе. Такие волновод­ные С02 лазеры имеют низкие дифракционные потери. Было показано, что наилучшие характеристики достигаются на трубках, изготовленных из ВеО или 8Ю2. Главным преимуществом волноводного С02 лазера является то, что благодаря небольшому диаметру отверстия давление смеси должно быть вы­соким (100-200 мм рт. ст.). Возрастание давления приводит к увеличению усиления на единицу длины. Это означает, что можно изготавливать корот­кие С02 лазеры (Ь < 50 см), не сталкиваясь с трудной задачей уменьшения потерь в резонаторе. Однако мощность, которую можно снять с единицы дли­ны разряда, подвержена тому же ограничению, что и мощность рассмотрен­ного выше лазера с медленной продольной прокачкой (~50 Вт/м). Поэтому волноводные С02 лазеры играют особенно важную роль, когда имеется необ­ходимость в компактных С02 лазерах низкой мощности (Р < 30 Вт) (напри­мер, для лазерной микрохирургии).

Чтобы полностью реализовать все преимущества, связанные с компакт­ностью конструкции, волноводные лазеры, как правило, изготавливают в отпаянном виде. Конструкция лазера может быть такой, как на рис. 10.12, когда ток разряда протекает вдоль лазерной трубки, либо такой, как показа­но на рис. 10.13, когда электрический ток (обычно от высокочастотного ис­точника) течет поперек трубки. При фиксированном значении электриче­ского поля Е (в силу того, что величина Е/р должна быть постоянной) конст­рукция с поперечной накачкой имеет значительное преимущество перед

Продольной накачкой, поскольку она допускает намного более низкие (на один-два порядка величины) напряжения на электродах. Высокочастотное (V = 30 МГц) возбуждение обладает многими преимуществами, среди кото­рых наиболее существенными, возможно, являются следующие [11]:

■ в этой схеме отсутствуют постоянные анод и катод, и поэтому исчезают проблемы, связанные с химическими процессами в газе вблизи катода;

■ благодаря включению последовательно с разрядом простых элементов, не рассеивающих энергию (например, диэлектрической пластины), обес­печивается устойчивый разряд (см., например, рис. 6.21).

В силу этих различных преимуществ высокочастотные разряды все боль­ше применяются не только в волноводных лазерах, но и в лазерах как с быстрой продольной прокачкой, так и с поперечной прокачкой; они будут рассмотрены ниже. В качестве последнего замечания следует отметить, что трубку волноводного СО2 лазера либо вообще не охлаждают, либо охлажда­ют воздушной струей, если необходимо получить максимальную мощность.

4. Лазеры с быстрой продольной прокачкой. Одним из возможных и тех­нически очень интересных решений, которое позволяет преодолеть ограни­чения по выходной мощности лазеров рассмотренного выше типа (см. выра­жения (10.2.8) и (10.2.9)), является прокачка газовой смеси вдоль трубки с очень высокой сверхзвуковой скоростью (около 50 м/с). В этом случае тепло отводится путем удаления разогретой смеси, которая, прежде чем вернуться в трубку, охлаждается вне ее пределов в соответствующем теплообменнике (см. рис. 10.14). Накачку обеих лазерных трубок, которые изображены на рисунке, можно обеспечить либо постоянным продольным, либо высокочас­тотным поперечным разрядом (поперек стеклянной трубки), что применяет­ся наиболее часто (см. рис. 6.21). При такой конфигурации лазера плотность тока не имеет оптимального значения, таким образом, мощность фактиче­ски возрастает линейно с увеличением 3 и можно достичь значительно более высокой выходной мощности на единицу длины разряда (-1 кВт/м и даже больше). Помимо охлаждения, смесь за пределами трубки пропускается че­рез катализатор, для того чтобы газ СО прореагировал с молекулами 02 (не­которое количество кислорода уже имеется в смеси благодаря диссоциации

Є

Рис. 10.15

Схема С02 лазера с диффузионным охлаждением: а) планарная; б) кольцеобразная конфигурация электродов.

Молекул СО2 в области разряда). Это обеспечивает необходимую регенера­цию молекул СО2 в трубке. В этом режиме необходимая подпитка смеси край-* не мала, и можно добиться работы в полностью запаянном режиме. В настоя* щее время мощные СО2 лазеры (мощность 1-3 кВт) с быстрой продольной прокачкой нашли широкое применение во многих приложениях, связанных с обработкой материалов и, в частности, для лазерной резки металлов (тол­щиной до нескольких миллиметров).

5. Лазер с диффузионным охлаждением. Альтернативным способом обой* ти имеющиеся ограничения по мощности в лазерах с медленной продольной прокачкой является использование конструкции с электродами (для получе* ния поперечного разряда), отстоящими друг от друга на расстояние (1, которое много меньше ширины 'Ж каждого электрода (планарная конфигурация, см-* рис. 10.15а). В этом случае газовая смесь очень эффективно охлаждается од* номерным тепловым потоком, направленным к водоохлаждаемым электро-» дам. Здесь можно показать, что выходная мощность равна РоШ = С(¥1)/й9 где С — постоянное число (С ^ 50 Вт/м) и I — длина электрода [12]. Таким обра* зом, для заданного расстояния между электродами выходная мощность за* висит от площади электрода ¥1, а не от его длины, как, например, в С02 лазере с медленной продольной прокачкой (см. выражение (10.2.9)). Тогда при дос­таточно малом расстоянии между электродами можно получить большую мощность на единицу площади электрода (например, (Р0ш/^I) = 20 кВт/Ма для й = 3 мм). Вместо планарной конфигурации (рис. 10.15а) также можно использовать кольцеобразную конфигурацию (рис. 10.156). Несмотря на та/
что эта конфигурация является технически более сложной, она позволяет получить более компактную конструкцию лазера.

Снова следует подчеркнуть, что вышеприведенные результаты имеют место, даже если ширина электродов значительно (примерно на порядок ве­личины) больше, чем расстояние между ними. Использование активной сре­ды с таким удлинением затрудняет получение хороших свойств разряда и параметров расходимости выходного излучения. Тем не менее, стабильный и пространственно однородный разряд можно получить, используя преиму­щества высокочастотного возбуждения. С другой стороны, излучение лазе­ра подвержено волноводному эффекту в направлении, нормальном к по­верхности электрода, и оно свободно распространяется в направлении, па­раллельном его поверхности, при расстоянии между электродами порядка нескольких миллиметров. Для получения выходных пучков хорошего ка­чества разработаны гибридные резонаторы, которые являются устойчивы­ми в направлении, перпендикулярном поверхности электродов, и неустой­чивыми в направлении, параллельном поверхности электродов [13].

В настоящий момент серийно выпускаются мощные компактные С02 ла­зеры с диффузным охлаждением и планарной конфигурацией электродов (выходная мощность составляет более 1 кВт). Такие лазеры представляют большой интерес в приложениях, связанных с обработкой материалов.

6. Лазеры с поперечной прокачкой. Другой возможностью обойти огра­ничения по мощности в лазерах с медленной продольной прокачкой явля­ется прокачка газовой смеси в направлении, перпендикулярном разряду (рис. 10.16). Если смесь прокачивать достаточно быстро, то, как и в случае лазера с быстрой продольной прокачкой, теплота уносится конвекцией, а не путем переноса ее к стенкам трубки. Поэтому насыщения выходной мощно­сти при увеличении тока разряда не происходит, и можно достичь высоких выходных мощностей с единицы длины разряда (несколько кВт/м; см. так­же рис. 7.7), как и в лазерах с быстрой продольной накачкой. Следует заме­тить, что в этом случае оптимальное общее давление смеси оказывается пример­но на порядок выше (~100 мм рт. ст.), чем в системах с продольной прокачкой

И большим диаметром трубки. Увеличение общего давления р требует соот­ветствующего увеличения электрического поля Е разряда. Действительно, для реализации оптимальных условий работы ^кого лазера необходимо, чтобы во всех случаях отношение Е/р оставалось примерно одинаковым, по­скольку это отношение определяет среднюю энергию электронов в разряде (см. (6.4.22)). Однако при этом устройство с продольным разрядом в конфигу­рации, приведенной на рис. 10.12, оказалось бы непрактичным, поскольку оно потребовало бы очень высокого приложенного напряжения (100-500 кВ на длине разряда 1 м). Поэтому конструкцию делают таким образом, чтобы разряд протекал в направлении, перпендикулярном оси резонатора (такие устройства называются ТЕ лазерами, аббревиатура англ. transverse electric field — поперечное электрическое поле).

Мощные ТЕ-С02 лазеры с быстрой поперечной прокачкой (мощность со­ставляет 1-20 кВт) широко применяются во многих приложениях, связан­ных с обработкой металлов (резание, сварка, поверхностная закалка, по­верхностное легирование металлов). По сравнению с лазерами с быстрой про­дольной прокачкой эти лазеры имеют более простую конструкцию, поскольку для поперечной прокачки не нужна большая скорость газового потока, как в случае с продольной прокачкой. Однако лазеры с быстрой продольной про­качкой имеют значительно лучшее качество пучка, поскольку в них ток раз­ряда обладает цилиндрической симметрией, что делает эти лазеры особенно привлекательными для механической обработки резанием.

7. СО2 лазеры атмосферного давления с поперечным возбуждением (TEA лазеры). В непрерывных ТЕ-С02 лазерах довольно затруднительно поднять давление выше ~100 мм рт. ст. В тлеющем разряде при давлении выше этого значения (и при обычно используемых плотностях тока) возникают неус­тойчивости, которые приводят к образованию дуги в объеме разряда. Для преодоления этих трудностей к электродам, между которыми происходит поперечный разряд, прикладывают импульсное напряжение. Если длитель­ность импульса достаточно мала (доля микросекунды), то неустойчивости в разряде не успевают развиваться и, следовательно, рабочее давление газа можно повысить вплоть до атмосферного и выше. Такие лазеры называются ТЕЛ лазерами (аббревиатура англ. слов transversely excited at atmospheric pressure — лазеры атмосферного давления с поперечным возбуждением). Таким образом, ТЕЛ лазеры работают в импульсном режиме и позволяют получать большую энергию с единицы объема разряда (10-50 Дж/л). Для предотвращения дугового разряда в таких лазерах используется тот или иной тип ионизации, которая предшествует возбуждающему импульсу напряже­ния (предыонизация).

На рис. 10.17 приведена схема, которая часто применяется на практике и в которой ионизация обеспечивается интенсивным У Ф-из лучением от не­скольких искр, пробегающих параллельно оси трубки. Такое УФ-излучение приводит к необходимой ионизации как посредством фотоионизации состав­ляющих смеси, так и благодаря индуцированной этим излучением эмиссии электронов из электродов (УФ-предыонизация). К другим методам предыо - низации относятся использование импульсных источников электронного

Рис. 10.17 Схематическое представление (вид вдоль оси устройства)

TEA-С02 лазера. Для предыонизации газа в лазере используется УФ-излучение от нескольких источников искрового разряда, размещенных вдоль направления трубки

Пучка (предыонизация электронным пучком) и ионизация благодаря корон­ному эффекту (коронная предыонизация). Как только во всем объеме лазер­ного разряда происходит ионизация, включается быстродействующий вен­тиль (водородный тиратрон или разрядный промежуток) и через электроды разряда проскакивает главный разрядный импульс. Поскольку поперечные размеры лазерного разряда обычно велики (несколько сантиметров), то зер­кала резонатора зачастую выбирают таким образом, чтобы они образовыва­ли неустойчивый резонатор (неустойчивый конфокальный резонатор поло­жительной ветви; см. рис. 5.186). При низкой частоте повторения импуль­сов (порядка 1 Гц) нет необходимости в прокачке газовой смеси. При более высоких частотах повторения импульсов (вплоть до нескольких килогерц) газовая смесь прокачивается в перпендикулярном оси резонатора направле­нии и охлаждается в соответствующем теплообменнике. Другой интересной характеристикой этих лазеров являются их относительно широкие полосы генерации (~4 ГГц при р = 1 атм. благодаря столкновительному уширению). Таким образом, в TEA лазерах в режиме синхронизации мод были получены оптические импульсы длительностью менее 1 НС.

TEA-С02 лазеры с поперечной прокачкой с относительно высокой часто­той повторения (~50 Гц) и достаточно высокой средней выходной мощно­стью ((Pout) = 300 Вт) выпускаются серийно. Помимо широкого использова­ния TEA-С02 лазеров в научных приложениях, они распространены и в про­мышленности для обработки материалов, особенно в тех случаях, когда импульсный характер пучка дает некоторое преимущество (например, им­пульсная лазерная маркировка или импульсная абляция пластических ма­териалов).