Содержание.

Техническое задание. 2

Введение. 3

Принцип работы СО2 лазера. 4
Расчёт СО2 лазера. 6
Расчет резонатора. 7

Расчет теплового режима. 11
Список литературы. 15
Приложение 16




Техническое задание.

Рассчитать и спроектировать СО2 лазер со следующими параметрами:

мощность излучения, Вт 7
диапазон частот, МГц 200
особенность режима работы одномодовый
излучение поляризованное




Введение.

Несмотря на то что первый лазер был создан в 1960 г. в США Мейманом, в настоящее время промышленность всех технически развитых стран освоило широкую номенклатуру этих приборов (несколько сотен различных типов) и выпускает их сотнями тысяч штук. Применение таких приборов в самых различных отраслях науки и техники (физика, химия, медицина, электроника, связь, локация, строительство, приборостроение, энергетика, машиностроение и др.) позволило получить не только количественно, но и качественно новые результаты, способствуя тем самым дальнейшему развитию этих отраслей.


Успехи квантовой электроники, прежде всего оптического диапазона, привели к созданию принципиально новых оптических приборов и методов, их широкому использованию в электронике, измерительной технике, локации, связи, вычислительной технике и т.д. При этом отчетливо наблюдается тенденция к возрастанию роли оптических методов передачи, обработки и хранения информации.



Принцип работы СО2 лазера.

СО2 – лазер, т.е. лазер, излучающей составляющей активной среды которого является углекислый газ, занимает особое место среди всего многообразия существующих лазеров. Этот уникальный лазер отличается прежде всего тем, что для него характерны и большой энергосъем, и высокий КПД.
Молекула СО2 имеет три нормальных колебания – симметричное валентное v1, деформационное v2 и несимметричное валентное v3 (рис.1)




Деформационное колебание дважды вырождено. Соответственно заполнение колебательных уровней молекулы СО2, в том числе не только нормальных частот v1, v2, v3, но и их обертонов и составных колебаний, определяет тот набор квантовых чисел V1, V2, V3, который описывает колебательное состояние молекулы. Обозначаются уровни комбинацией квантовых чисел: V1, V2l, V3. Индекс l вводится из-за вырождения деформационного колебания v2. Важны нижние колебательные уровни основного электронного состояния, показанные на рис.2.



Рис.2. Схема нижних колебательных уровней СО2 и N2 в основном электронном состоянии: прямые наклонные стрелки – генерационные переходы, прямая стрелка верх – возбуждение азота, волнистая горизонтальная стрелка – передача энергии возбуждения от азота к СО2, остальные волнистые стрелки – релаксационное опустошение нижних лазерных уровней.
Случайное совпадение частот колебаний v1 и 2v2 в силу резонанса Ферми смешивает эти уровни, и они в кинетических процессах часто выступают как одно состояние. Нижний лазерный уровень 1000 генерационного перехода 0001 -> 1000 имеет малое время релаксации в силу сильной связи с деформационным колебанием 0200 и тем самым с колебанием 0110. Внутри одной колебательной моды столкновительный обмен энергией в силу малости дефицита энергии происходит очень быстро, практически за одно газокинетическое столкновение. Колебание 0110, как и всякое деформационное колебание, имеет большое сечение столкновительной дезактивации. Из простых геометрических соображений очевидно, что сечение неупругого столкновения для валентного колебания, которое может быть возбуждено частицей, налетающей на молекулу практически под любым углом к ее оси. Симметричные гомоядерные молекулы азота обладают большим собственным временем жизни в колебательно возбужденном состоянии, легко возбуждаются электронным ударом и охотно отдают энергию возбуждения СО2.
Что же касается опустошения нижнего лазерного уровня, то оказалось, что первый возбужденный уровень деформационной моды 2 0110 эффективно релаксирует при столкновениях с атомами Не. Гелий опустошает уровень 0110 СО2 со скоростью4*103 с-1*Тор-1 . При этом уровень 0001 моды 3 гелием практически не затрагивается.
Цикл лазерной накачки СО2 – лазера в стационарных условиях выглядит следующим образом. Электроны плазмы тлеющего разряда возбуждают молекулы азота, которые передают энергию возбуждения несимметричному валентному колебанию молекул СО2, обладающему большим временем жизни и являющемуся верхним лазерным уровнем. Нижнем лазерным уровнем обычно является первый возбужденный уровень симметричного валентного колебания, сильно связанный резонансом Ферми с деформационным колебанием и поэтому быстро релаксирующий вместе с этим колебанием в столкновениях с гелием. Очевидно, что этот же канал релаксации эффективен в случае, когда нижним лазерным уровнем является второй возбужденный уровень деформационной моды. Т.о. СО2-лазер – это лазер на смеси углекислого газа, азота и гелия, где СО2 обеспечивает излучение, N2 – накачку верхнего уровня, а Не – опустошение нижнего уровня.



Расчёт СО2 лазера.
Из условий оптимизации режима генерации соотношение между ком-понентами газового состава в отпаянных СО2 - лазерах выбирают в пределах от 1:1:4 (CO2: N2: Не ) до 1:1:10. Расчет КП произвожу с помощью программы предназначенной для расчета СО2 – лазера.
Задаюсь соотношением 1:1:7.
1. Определяю общее давление газовой смеси.


р = 45,9 (мм рт. ст.) , где xc, xn и xh – мольная доля компонентов CO2 , N2 и Не в составе газовой смеси; Тг – температура газовой смеси; Δν – ширина спектральной линии.
2. Определяю диаметр разрядного капилляра.

d= 0.24 - 0.32 (см )
На начальных этапах расчета диаметра целесообразно ориентироваться на минимальную цифру в указанных выше пределах.
Выбираю диаметр трубки d=0.27 (см)
3. Для оптимального режима работы лазера без прокачки газо-вой смеси справедлива следующая зависимость ненасыщенного коэффициента усиления от диаметра разрядного капилляра, 1/см.



κν = 0.024 (1/см)
4. Из условия того, что d>2мм выберем следующую формулу для определения параметра насыщения, Вт/см2.

Js = 495,72 (Вт/см2)
5. Чтобы обеспечить заданную Рвых, необходимо знать длину разрядного капилляра.

l = 23 – 70 (см) (в пером приближении).
l = 44 см.

Расчет резонатора.
6. Дифракционные потери связаны с рассеиванием светового потока на краях зеркал. Расстояние между зеркалами L ( длина резонатора ) выбирается из конструктивных соображений. Примем L= 50 см. Для определения дифракционных потерь определим число Френеля и по рис 1. найдем значения  для моды ТЕМ00 и ТЕМ10.



Число Френеля находится по формуле

где а = 0.5d = 0.5*0.27 = 0.14 (см), λ = 10,6 (мкм)
В лазерах, использующих активные среды с малыми значениями коэффициента усиления, могут применяться лишь устойчивые резона¬торы. Последние характеризуются относительно-небольшой величиной дифракционных потерь, поскольку электромагнитное поле сосредото¬чено в них в основном около оси резонатора и быстро, убывает в поперечных направлениях.
Резонатор является устойчивым при выполнении следующего усло-вия:
0g1g21
,где L – длина резонатора, R1,2 – радиусы кривизны зер-кал.
Выбираю R1 = R2 = 0,5 (м), L = 50 (см) , тогда g1,2 = 0
По графикам определяю потери для моды ТЕМ00: 00= 8% =13.79
А для моды ТЕМ10 10=90% - она полностью затухает.
Поэтому получается одномодовый режим работы СО2 лазера.
Эквивалентная величина распределенных потерь, см-1


При малых диаметрах капилляра ( d 10000 – устойчивый турбулентный режим
Nu = 0.023*εl*Re0.8*Pr0.4
B этих формулах Pr – критерий Прандтля (см. табл.2), Nu – критерий Нус-сельта, εl – поправочный коэффициент по степени стабилизации потока (табл. 3) εl = 1,015
Nu = 0,023*1*135380,8*7,030,4 = 101,33


Таблица 3
Значение поправочного коэффициента по степени стабилизации потока.
Lk/dэф 50 40 30 20 15 10 5 2
εl 1.0 1.03 1.07 1.13 1.17 1.23 1.34 1.5


5. По результатам расчета критерия Nu рассчитывается коэффициент теплоотдачи
α = Nu*X/dэф = 101,33*0,597/0,006 = 10082 (Вт/м2/С)
6. Зная величину коэффициента теплоотдачи, несложно определить температуру стенок капилляра, для канала кольцевой формы:



Тк = 20,53 (С)
7. Температура внутренней поверхности стенок разрядного капилляра круглого сечения




Т0 = 38,708 (С)
где χ - коэффициент теплопроводности материала разрядного капилляра (табл. 5 ).

Таблица 5.
Коэффициент теплопроводности материалов разрядного капилляра.
Материал Коэффициент теплопроводности
χ, Вт/м*С
22ХС 13,4
Стекло 1,4
ВеО 210

8. Максимальная температура газовой смеси пот накачки продольным разрядом постоянного тока

,

где χ0 – коэффициент теплопроводности газовой смеси, для газовой смеси произвольного состава справедливо следующее выражение (уравнение Васильевой):

где χi – коэффициент теплопроводности данного компонента,
xi – доля этого компонента в газовом составе.



,где Mi – массовое число молекулы, i – вязкость данного компо-нента(табл.6).



Таблица 6.
Свойства основных компонентов газового состава СО2 – лазера.
Параметр СО2 N2 Не
М 44 28 4
Χ,Вт/м*С 0,0181 0,0273 0,157
μ, Па*с 159,*10-7 187*10-7 207,6*10-7

Коэффициент теплопроводности смеси, Вт/м/С χ0 = 0.15
Максимальная температура газовой смеси, K T= 411 ,67

При расхождении между температурой газа,принятой вначале расчета,и найденной после анализа теплового режима,более 20 C следует повторить весь расчет,начиная с определения рабочего давления , т.к. вначале расчета задана была температура 400 (К) (разность между начальной конечной температурой 11,67 С), то расчет можно считать законченным.


Список литературы:


1. Расчет и проектирование квантовых генераторов: Методические указания к курсовому проектированию/ Рязан.радиотехн.академия; Сост.: Э.И.Соколовский, В.И.Соловьев. Рязань, 1992.
2. Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике. М.: Наука, 1988.
3. Смирнов А.П. Квантовая электроника и оптоэлектроника. Минск: Высшая школа, 1987.
4. Звелто О. Принципы лазеров. М.: Мир, 1983.






Приложение
Расчет резонатора
Рекомендуемый ряд значений R,м 0.5, 1,2,5,10,20,50...
( для плоского зеркала введите R > 500 м )

Радиус глухого зеркала, м R1 =.5
Радиус выходного зеркала, м R2 =.5
Длина разрядной трубки, см L =44
Длина резонатора, см Lr =50

Выходная мощность излучения, Вт P= 7.210

Радиус глухого зеркала, м R1 =1
Радиус выходного зеркала, м R2 =1
Длина разрядной трубки, см L =44
Длина резонатора, см Lr =50

Диаметр пучка на зеркалах больше диаметра трубки
Изменить радиусы кривизны зеркал или длину резонатора-1
Перейти на волноводный режим -2


Радиус глухого зеркала, м R1 =0.4
Радиус выходного зеркала, м R2 =0.4
Длина разрядной трубки, см L =44
Длина резонатора, см Lr =50

Резонатор неустойчивый,измените R или Lr


Радиус глухого зеркала, м R1 =.5
Радиус выходного зеркала, м R2 =.5
Длина разрядной трубки, см L =44
Длина резонатора, см Lr =49

Выходная мощность излучения, Вт P= 6.855