На прошлой лекции мы рассмотрели возможности применения твердотельных лазеров, для реализации технологических процессов. СО2-лазеры так же используются, они в значительной степени уступают конкуренцию, но во многих процессах, которые требуются очень больших энергий, ну например, процессы резки элементов деталей самолетов, ракет, подводных лодок и так далее. До сих пор СО2-лазеры обладают конкурентоспособностью в этих процессах, поэтому мы рассмотрим сегодня свойства СО2-лазеров в качестве технологически активных элементов. Значит СО2 работают на использовании газовой смеси состоящей из молекул СО2, азота и гелия. Азот необходим для того, чтобы передавать возбужденное состояние колебательно-вращательного спектра азотной молекулы, непосредственно молекулам СО2, поскольку они находятся в резонансе. Какие же рабочие уровни? Вот мы посмотрим на слайде. В СО2, соответственно, газе есть три типа колебаний, которые используются для организации верхнего и нижнего рабочих уровней, так называемые колебания молекулы симметричны, антисимметричны и деформационные. Симметричные, когда относительно молекулы углерода атомы кислорода колеблются симметрично, ассиметрично, когда колеблются не симметрично, а деформационные, когда молекулы изгибаются. Мы видим на слайде какие рабочие уровни используют колебания типа одного, другого или третьего. Разность энергий позволяет реализовать излучение в области 10,6 микрон и 9,6 микрон, которые используются в технологии. Важным параметров в технологических лазерах на СО2 смеси является коэффициент полезного действия. Коэффициент полезного действия, он достаточно сложно описывается, он определяется произведением коэффициентом полезного действия квантового, колебательного, оптического, разрядного и системы обслуживания. Важно определить, что такое квантовый коэффициент полезного действия. Это отношение энергии кванта к энергии верхнего рабочего уровня, и оно составляет 41 %, поэтому если вы после прохождения курса когда-нибудь ответите на вопрос о том, что может ли коэффициент полезного действия СО2-лазера превышать 50% положительно, то это покажет вашу полную, так сказать, не состоятельность в понимании этого процесса. Значит 41 %, запомните. Дальше есть, соответственно, колебательный коэффициент полезного действия, описывающий эффективность оптической системы и эффективность разрядной системы, и эффективность всей системы обслуживания. Лазеры на газовой смеси делятся на два типа: лазеры с так называемым диффузионным охлаждением и лазеры быстропроточные или с конвективным охлаждением, то есть первый тип, соответственно классификации, это по типу охлаждения. Во-первых, давайте подумаем, почему вообще нужно охлаждение? Конечно, смесь разогревается, конечно, казалось бы, надо, конечно, ее охлаждать, но принципиально то, что при нагреве смеси, происходит разная степень зависимости населенности верхнего и рабочего уровней. Нижний уровень, соответственно, меняет экспоненциальность температуры, а верхняя – линейна. Поэтому есть точка пересечения, когда при нагреве у нас пропадает инверсия. Поэтому принципиально охлаждать смесь нужно вследствие того, что пропадает инверсия. Ну и конечно тогда есть здесь максимальная зависимость инверсии от температуры, то есть оптимальная температура для смеси. В случае если используется лазеры с диффузионным охлаждением, то охлаждение смеси достигается диффузией тепла от, соответственно, разогретого внутри трубки пространства к охлаждаемым водой стенкам трубки, где происходит разряд. Все определяется коэффициентом диффузии тепла, то есть определяется возможностью охлаждения, принципиально мы могли бы, как бы в разряд закачать большую энергию, энергия определяется средним от произведения плотности электрического тока на среднюю напряженность поля, но это значение ограничено возможностью охлаждения. Поэтому первый важный вывод — лазеры с диффузионным охлаждением имеют ограничения на свою мощность за счет способа или системы охлаждения. Другой тип охлаждения — лазеры быстропроточные. В этом случае смесь охлаждается не за счет диффузии тепла, а за счет ее смены в рабочей камере. Смесь меняется быстрой прокачкой, то есть каждый раз поступает охлажденная смесь, которая соответственно может работать, в которой есть легко создать инверсную населенность. Ну и естественно, что лазеры с диффузионным охлаждением имеют некую предельную мощность, которая определяется важным параметром. Вообще для газовых лазеров важный параметр, так называемый энергосъем с единицы длины резонатора. То есть если мощность лазера поделить на длину резонатора, который реализован в лазере, то мы получим такую характеристику, по которой можно эти лазеры сравнивать. Оказывается, что для лазеров с диффузионным охлаждением, за счет того что можно снять только часть энергии за счет диффузии тепла, это значение ограничено, от 50 до 100 Ватт с метра. Поэтому для того, чтобы получить киловатную машину, надо набрать много метров резонатора. То есть сделать такую очень объемную систему. Ну и когда начинала развиваться технологическое применение СО2-лазера, такие лазеры были созданы. Они представляли из себя такие трубы: 5–10 метров, 5–6 метров, в которых последовательно собиралось несколько параллельно труб, и в этих трубах создавалась, соответственно, инверсия населенности, и снималось излучение порядка 1 кВт. Это ограничение на скорость охлаждения, конечно, неудобная для развития мощных лазеров. Поэтому более перспективными стали лазеры с конвективным охлаждением. Энергосъем существенно возрос, и были реализованы разные типы лазеров. Лазеры с конвективным охлаждением с продольной прокачкой, где прокачивался СО2 с азотом через трубы, такие же трубки как и в лазерах с диффузионным охлаждением, но они уже не охлаждались водой, а соответственно прокачивались и менялась смесь. И следующий этап развития, были созданы лазеры с поперечной прокачкой, где уже соответственно организовывался разряд, где разрядная камера совмещалась с камерой резонатора в поперечном направлении прокачки газа, и уже в таких лазерах гораздо легче было бы получить большие мощности. Такие лазеры были созданы во многих странах со средней мощностью в непрерывном режиме — 3, 5, 10 кВт и выше. Ну и собственно вот эти лазеры с поперечной прокачкой и составили основу технологического парка лазеров для обработки больших деталей в автомобильной промышленности, в авиационной промышленности, в ракетостроении и так далее. Постепенно, поскольку есть преимущество твердотельных лазеров, за счет конкуренции на многих производствах постепенно происходит замена. В значительной степени замена на волоконные лазеры.