Диффузионный СО2 лазер с ВЧЕ-разрядом (стр. 5 из 5)
В поперечном ВЧЕР в соответствии со спецификой его пространственной структуры даже в слаботочном режиме горения, когда выделение энергии непосредственно в приэлектродных слоях пространственного заряда невелико, максимумы энерговыделения в плазме смещены к охлаждаемым электродам, поэтому среди всех прочих одинаковых условиях теплообмен активной среды со стенками более эффективен. По-видимому, это и является одной из причин получения больших мощностей когерентного излучения с единицы длины СО2-лазера с диффузионным охлаждением, возбуждаемого поперечным ВЧЕР по сравнению с ЛДО, возбуждаемым постоянным током. Величина Епл/р, реализуемая в положительном столбе самостоятельного разряда, превышает Еопт/р, необходимые для эффективной накачки верхнего уровня молекулы СО2 ( Епл – напряжённость электрического поля в положительном столбе, Еопт – оптимальное значение электрического поля для накачки активной среды). Близкие к оптимальным значениям Е/р реализуются в самостоятельном тлеющем разряде только в тонком слое фарадеева тёмного пространства, примыкающего к катодному слою. Этот факт можно использовать для накачки СО2-лазуров в поперечном разряде постоянного тока, когда электроды расположены настолько близко, что положительный столб, в котором Епл>Еопт, не может сформироваться т.к. по условию эксперимента х < lф (lф – длина фарадеева пространства). Основной недостаток рассмотренной схемы заключается в её очень малом КПД, поскольку практически всё приложенное к электродам напряжение падает на катодном слое, в котором из-за малых ne и больших величин Е накачка активной среды не происходит, за исключением тонкого слоя вблизи тлеющего свечения со стороны катода. Аналогичная ситуация имеется и в сильноточном ВЧЕР. Однако благодаря существованию в определённых условиях слаботочного режима горения ВЧЕР, когда приэлектродные слои не пробиты и потери в них невелики, появляется возможность использовать для накачки рабочей среды лазера поперечный разряд с малым межэлектродным зазором но высоким КПД. Именно в этом заключается основное преимущество ВЧЕР по сравнению с поперечным разрядом постоянного тока. Но эксперименты показывают, что слаботочный разряд может гореть только при значениях pL, меньших некоторого
критического (pL)кр. Это зависит от электродов и свойства газа. При pL»(pL)кр слаботочный разряд становится неустойчивым и либо переходит в сильноточную форму либо гаснет. При pL>(pL)кр зажечь его вообще не удаётся и реализуется только сильноточный режим. При pL<(pL)кр возможно существование и того и другого режима. Примерная зависимость предельных параметров существования слаботочного режима горения показана на рис.14.Наиболее часто цитируемое достоинство газового лазера с поперечным ВЧ-возбуждением заключается в резком снижении (в 10¸100 раз) питающего напряжения. Но эта положительная черта не является следствием применения ВЧЕР, а возникает благодаря малой величине межэлектродного зазора d. Очевидно, что и в разрядах постоянного тока при малых d напряжение на электродах будет невелико. Специфика ВЧ-возбуждения заключается в том, что в условиях поперечного возбуждения разряда, т.е. при небольших напряжениях на электродах, малый зазор можно заполнить активной средой СО2-лазера с высоким КПД. Другое преимущество связано с возможностью управления параметрами плазмы, особенно примыкающей непосредственно к приэлектродным слоям. В частности путём изменения частоты приложенного напряжения f можно изменять концентрацию электронов ne в плазме слаботочного разряда при прочих одинаковых условиях. Это следует из зависимости минимальной (нормальной) плотности разрядного тока слаботочного ВЧЕ-разряда от частоты. Предельное значения плотности разрядного тока в слаботочном ВЧЕР jкр, а значит и максимальную величину электронной концентрации в плазме (ne) можно определить из условия пробоя ёмкостных приэлектродных слоёв с учётом вторично-эмиссионных процессов на электродах: jкр=e*(ne)кр*me*Eпл@2*p*e*e0*(Есл)кр, где e, me – заряд и проводимость электронов в плазме, (Есл)кр@Uсл/dсл – напряженность в приэлектродном слое, при котором происходит его пробой, dсл – его эффективная толщина, e - относительная диэлектрическая проницаемость слоёв. Отсюда
. Согласно этой формуле для получения приемлемой с точки зрения возбуждения рабочей среды СО2-лазера, концентрации электронов в плазменном столбе слаботочного ВЧЕ-разряда, частота f должна быть выбрана достаточно высокой. Обычно при накачке СО2-лазеров с диффузионным охлаждением пренебрегают промышленной частотой и выбирают f в диапазоне 30¸200 МГц. Получено, как того и следовало ожидать в соответствии с представлениями об особенностях структуры слаботочного ВЧЕР, что наиболее приемлемые частоты возбуждения находятся в интервале 80¸150 МГц. В этих случаях в активную следу СО2-лазера можно вложить удельную электрическую мощность »100 Вт/см3и более при межэлектродных зазорах 1,5¸3 мм. Немаловажное значение, требующее перехода в высоким частотам возбуждения, имеет и тот факт, что толщина приэлектродных слоёв dсл(f) с увеличением частоты уменьшается с зависимостью dсл»Vдр/(2*p*f), где Vдр – скорость дрейфа электронов в плазменном столбе, граничащим с приэлектродным слоем.Таким образом, основанием для перехода к высоким частотам возбуждения СО2-лазеров и диффузионным охлаждением являются следующие две особенности слаботочного режима горения ВЧЕР.
· Концентрация заряженных частиц увеличивается с ростом f и достигает необходимых значений при частотах f>50 МГц.
· Толщина приэлектродных слоёв пространственного заряда dсл в диапазоне частот f>50 МГц составляет доли мм, что позволяет заполнить плазмой малые межэлектродные зазоры d@1,5¸3 мм.
6. Заключение
Представленные в работе данные о диффузионном СО2-лазере с высокочастотным возбуждением показывают многие преимущества такого типа возбуждения активной среды по сравнению с возбуждением разрядами постоянного и переменного тока. ВЧЕ-разряд устойчивее разряда постоянного тока, в нём достижим существенно больший энерговклад. Балластным сопротивлениям, которые всегда оказывают благотворное действие на стабильность разряда, можно придать ёмкостный (реактивный) характер, что избавляет от бесполезных потерь энергии, которые о обычных омических балластниках составляют примерно 30% подводимой электрической мощности. Существенное преимущество ВЧЕР - это возможность избавиться от катодных слоёв, свойственных разрядам и постоянного и переменного тока. В катодных слоях бесполезно теряется часть энергии, кроме того, в них обычно рождаются возмущения, от которых развивается неустойчивости. Эти преимущества обеспечивает только слаботочная форма ВЧЕ-разряда. Поэтому для СО2-лазера необходим именно слаботочный режим, в котором получены рекордные мощности излучения:~0,83 Вт/см. Недостаток этого режима – ограничение на плотность тока, длину промежутка и давление. Над улучшением данных характеристик ведётся работа. Также большим преимуществом является удобство работы с длинными трубками, низкие рабочие напряжения, высокая устойчивость и однородность. Дальнейший прогресс в области диффузионных СО2-лазеров с ВЧ-накачкой связан с исследованием условий протекания тока на границах плазмы ВЧ-разряда с электродами, а также решением проблем, связанных с волноводным режимом работы резонатора, увеличение скорости теплоотвода на стенки разрядной трубки.
7. Список литературы
1) В.С. Голубев, Ф.В. Лебедев “Физические основы создания технологических лазеров”
2) В.С. Голубев, Ф.В. Лебедев “Инженерные основы создания технологических лазеров”
3) Ю.П. Райзер “Физика газового разряда”
4) А.А. Веденов “Физика электроразрядных СО2-лазеров”
5) Н.А. Яценко “Газовые лазеры с высокочастотным возбуждением”
6) Н.А. Яценко “Влияние частоты накачки на параметры газовых лазеров с высокочастотным возбуждением”
7) Ю.С. Протасов, С.Н. Чувашев “Физическая электроника газоразрядных устройств”
8) В. Виттеман “СО2-лазер”