Диффузионное охлаждение рабочей смеси

Разрядная камера СО -лазера с диффузионным охлаждением состоит из охлаждаемой водой трубки, внутри которой с помощью электродов создается ГР. По торцам трубки располагаются глухое и выходное (полупрозрачное) зеркала (рис. 27).

Стабильность усилительных свойств среды в течение длительного времени поддерживается путем размещения внутри трубки регенерирующего элемента. Состав рабочей смеси подбирается в соотношении СО - N - He=1:2:3/6. Полное давление смеси находится в интервале 20-40 торр.

Очевидно, что мощность генерации лазера тем выше, чем больше скорость введения электрической энергии в разряд, то есть чем больше подводимая к нему электрическая мощность. Обычно эту электрическую мощность соотносят с единицей объема активной среды ГЛ и называют ее объемным энерговкладом лазера. Он равен (jE), где угловые скобки означают усреднение по времени. Основным процессом, ограничивающим объемный энерговклад в диффузионных СО -лазерах, является скорость охлаждения рабочей смеси. Если рабочая смесь медленно охлаждается, то при увеличении объемного энерговклада она может перегреться, что приведет к срыву генерации. В свою очередь, скорость охлаждения ограничена градиентом температур между стенкой газоразрядной трубки и охлаждаемой смесью газов, а также коэффициентом теплопроводности этой смеси. Оценка предельной мощности генерации приводит к формуле

 

(1.19)

 

Здесь L — длина активной среды, V — ее объем, Т — температура поверхности трубки, — электрооптический КПД, определяемый как доля энерговклада, выделяющаяся в положительном столбе разряда (типичные значения для СО -лазеров лежат в интервале значений от 0,1 до 0,3. Теплопроводность смеси определяется, в основном, гелием ( =1,5 10 Вт/см град). Из (1.19) следует, что удельная мощность W/L (мощность, снимаемая с единицы длины активной среды) не зависит от давления смеси и радиуса трубки. Подставляя сюда значение коэффициента теплопроводности для гелия, а

также обычные лля СО2-лазера значения = 0 ,1 — 0, 3, (Т — T ) = 200К, можно оценить максимальную удельную мощность как

< 50 — 100 Вт/м (1.20)

Особенностью этих лазеров является то, что в их рабочую смесь необходимо добавлять много Не.

Длина лазера ограничивается дифракционными явлениями, а также потерями при отражении излучения от стенок трубок и на их торцах. В случае отсутствия отражения от стенок трубки в качестве предельного значения можно взять длину, на которой лазерный луч расширится из-за дифракции на величину, равную радиусу трубки. Она находится из условия θ L R и составляет

L 2 R / . (1.21)

Для типичных R (1 — 3) см получаем L = 20 — 200 м.