(Удивительное сочетание свойств молекул СО2 и N2,
позволившее создать мощный СО2-лазер)
ABSTRACT
In 1964 Patel created the first low-power molecular CO2 laser using the wonderful combination of properties of carbon dioxide and nitrogen. To pump active medium he used glow discharge. In the following years efforts of some research teams, including those from Russia resulted in power increase of such lasers by some orders of magnitude, which required many scientific and engineering solutions. Today powerful CO2 lasers are widely used for processing of metals, semiconductors and dielectrics in cases when traditional methods don’t allow for required results.
В 1964 году Пател создал первый маломощный молекулярный лазер, использовав удивительное сочетание свойств двух молекул: СО2 и N2. Для накачки активной среды он применил тлеющий разряд.
В последующие годы благодаря упорной работе нескольких групп исследователей, в том числе и в России, удалось повысить энергетику таких лазеров на несколько порядков, что потребовало непростых научно-технических решений. В настоящее время мощные СО2 лазеры широко применяются для проведения обработки металлов, диэлектриков и полупроводников в тех случаях, когда решение nехнологических задач не удается осуществить традиционными методами.
Немного физики и истории
Ушедший ХХ век воспринимается нами не только как век величайших научных открытий, но и как век возникновения новых инженерно-технических областей человеческой деятельности. Одной из таких областей стало создание и широкое использование квантовых приборов, способных генерировать остронаправленное когерентное почти монохроматическое электромагнитное излучение оптического диапазона длин волн.
Полное наименование таких приборов звучало так: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что переводится как Усиление Света за счет Вынужденного Излучения. Для повседневного пользования название слишком длинное. Поэтому возник его короткий вариант в форме аббревиатуры: LASER. В полном названии присутствуют два ключевые понятия, определяющие физическую основу таких приборов: 1) усиление света и 2) вынужденное излучение.
Создание лазеров прямо связано с проблемой усиления света при его прохождении через специально подготовленную оптическую среду, иначе говоря, с процессом взаимодействия света с веществом. Научное изучение таких процессов протекает на протяжении более 300 лет.
Но до начала ХХ века наука знала лишь процессы поглощения и рассеяния света, а процесс усиления света при его взаимодействии с веществом не был известен. Одним из следствий открытия в начале ХХ века микромира стало понимание природы процессов испускания и поглощения света вещественными частицами – атомами, молекулами и ионами. Для примера ограничимся представлениями об испускании и поглощении света атомами.
Атом обладает определенной потенциальной энергией. Он стремится пребывать в состоянии, в котором эта энергия минимальна. Такое состояние называют основным состоянием атома. В среде, содержащей большое количество атомов, протекают процессы их соударений.
Большинство таких соударений происходит упруго, потенциальная энергия каждой частицы остается прежней. Реже столкновение протекает неупруго, тогда часть кинетической энергии одного из столкнувшихся атомов передается партнеру, потенциальная энергия которого после этого возрастает. Состояние такого атома называют возбужденным.
Однако, в отличие от макромира, в микромире передача атому энергии извне осуществляется только строго определенными дискретными порциями. Атом данного элемента обладает системой дискретных энергетических уровней, присущей только этому элементу.
Соответственно, передача ему энергии извне происходит такими дискретными порциями, которые обеспечивают рост потенциальной энергии до одного из вышележащих энергетических уровней. В среде, находящейся в равновесном состоянии при температуре Т многочисленные неупругие столкновения приводят к определенному распределению возбужденных атомов по энергетическим уровням, получившего название распределения Больцмана.
В этом случае, чем выше энергия дискретного квантового уровня, тем меньше на нем концентрация возбужденных атомов, и падение их числа происходит по экспоненциальному закону. Далее станет ясно, что равновесное состояние оптической среды не способствует возникновению в ней усиления света, а, следовательно, и проявлению лазерных эффектов.
Проходящий через оптическую среду световой луч можно рассматривать как поток фотонов, двигающихся в определенном направлении. На своем пути фотоны сталкиваются с атомами. Такие столкновения следует рассматривать как столкновения двух частиц, происходящие либо упруго, либо неупруго. В случае упругого столкновения происходит рассеяние фотона, направление его движения изменяется.
С неупругими столкновениями дело обстоит сложнее. Фотон при неупругом столкновении может передать свою энергию атому только целиком, при этом он исчезает. Если через среду проходит монохроматичный луч света, то поглощение фотонов атомами произойдет лишь при условии, что энергия фотона Еф = hf (h- постоянная Планка, f- частота электромагнитной волны) точно равна той порции энергии, которая соответствует энергетическому переходу атома в данное возбужденное состояние, на присущий ему квантовый уровень.
В противном случае поглощение не состоится, дело ограничится только рассеянием фотонов на атомах среды. Неупругие столкновения фотонов с атомами определяют протекание процесса поглощения света веществом.
Атом пребывает в возбужденном состоянии ограниченное время. Его возвращение в основное состояние может происходить в одном из трех процессов:
1) при столкновении с другим атомом, сопровождаемым передачей ему энергии возбуждения в форме кинетической энергии движения (безизлучательный переход);
2) путем спонтанного излучения, происходящего случайным образом, когда время между возбуждением атома и испусканием фотона определяется лишь вероятностно;
3) путем вынужденного излучения, когда пролетающий около возбужденного атома фотон, энергия которого точно равна энергии перехода атома на более низкий квантовый уровень, вызывает испускание фотона той же частоты, поляризации и в том же направлении движения, что у фотона, инициировавшего этот акт. Тем самым снимается возбужденное состояние атома. В этом акте число одинаковых (когерентных) фотонов удваивается, третий случай есть не что иное, как усиление света. Существование вынужденного излучения, делающего принципиально возможным усиление света средой, теоретически постулировал А. Эйнштейн в 1916 году.
Вскоре постулат был подтвержден экспериментально. Однако, для реализации такой возможности необходимо, чтобы среда была определенным образом организована. В земных условиях необходимая организация не может возникнуть сама собой. Эффект усиления света, при котором интенсивность светового луча на выходе оптической среды превышает его интенсивность на входе, никогда не наблюдался.
Организация среды, усиливающей свет, требует выполнения двух условий. Первое, необходимо присутствие в среде высокой концентрации возбужденных атомов. Второе, такая концентрация должна сосредотачиваться на одном из верхних квантовых уровней и превосходить концентрацию атомов на одном из более низких уровней, куда после вынужденного испускания фотонов могли бы переходить атомы с верхнего уровня (инверсная населенность уровней).
Требование инверсной населенности уровней противоречит распределению Больцмана, которое справедливо для равновесного состояния среды. В равновесной среде акты спонтанного излучения преобладают над актами вынужденного излучения. В результате в среде преобладают процессы поглощения света с последующим переизлучением фотонов разных длин волн и в разных направлениях, по сравнению с процессами, усиливающими проходящий направленный поток фотонов.
Следовательно, необходимо, чтобы усиливающая среда была приведена в состояние сильной неравновесности, делающей возможным образование инверсной населенности. Такая организация среды осуществляется выбором составляющих эту среду элементов и направленным введением в нее энергетического потока (накачка среды).
В тридцатые годы ХХ века проблемой усиления света серьезно занялся известный физик, профессор В.А. Фабрикант. К концу 40-х годов вместе со своей аспиранткой Ф.А. Бутаевой он создал газоразрядную установку, в которой впервые осуществились условия для усиления проходящего через среду монохроматического светового луча.
До создания лазера оставалось совсем немного – создать положительную обратную связь, обеспечивающую самовозбуждение среды и генерацию когерентного оптического излучения. Практически сделать такой шаг в оптической области электромагнитных волн удалось в 1960 году Теодору Мэйману, поместившему в оптический резонатор (между двумя плоскопараллельными зеркалами) стержень из синтетического рубина, ставшего активной средой первого лазера. Накачка рубина производилась мощными вспышками света от импульсных газоразрядных ламп.
С этого момента началось бурное развитие подобных квантовых приборов и, что особенно важно, немедленное их использование в самых различных научных, технических и медицинских приложениях. Особый интерес проявлялся к проблеме создания мощных лазеров, способных осуществлять так называемую силовую обработку материалов – резание, сварку, термическую поверхностную обработку и многое другое.
В реализации такого технологического направления важная роль принадлежит СО2 лазерам. Первый образец такого лазера был создан Кумаром Н. Пателом в 1964 году. Его мощность была незначительной и сразу не была понятна перспектива ее повышения. О том, что собой представляет этот лазер и как удалось обеспечить необходимое увеличение его первоначальной мощности (энергии), рассказывается в следующих частях статьи.
Молекула СО2 – рабочее вещество СО2 лазера
Молекула СО2 – трехатомная линейная молекула. Три входящих в ее состав атома – кислород-углерод-кислород – выстроены в одну линию. Если у атомов процесс возбуждения связан с переходом внешнего электрона на один из верхних квантовых уровней, то у молекулы к этому присоединяются так называемые колебательные и вращательные возбужденные состояния.
Для возбуждения таких состояний требуется значительно более низкая энергия, чем для возбуждения электронного состояния, вызываемого переходом электрона на ближайший верхний квантовый уровень. Это обстоятельство может быть использовано для создания молекулярных лазеров.
Проблема получения лазерного излучения в активной молекулярной среде путем возбуждения колебательного спектра молекулы стандартна. В этом спектре необходимо найти энергетический уровень, на котором можно накапливать концентрацию возбужденных молекул.
Чаще всего используется метастабильный уровень, время существования которого относительно велико. Одновременно должен существовать ниже расположенный энергетический уровень, который удается поддерживать в незаселенном состоянии. Тогда между этими уровнями создается инверсная населенность, необходимая для генерации лазерного излучения на определенной длине волны, соответствующей разности энергий между верхним и нижним уровнями.
Такие уровни существуют в колебательном спектре молекулы СО2, что и делает ее пригодной для создания лазерной среды. Энергия верхнего долгоживущего уровня, пригодного для накопления возбужденных молекул, равна 0,3 электрон-вольта (эВ). А нижних пригодных уровней оказалось два, их энергии почти одинаковы и близки к значению 0,2 эВ.
Соответственно усиление и генерирование излучения может происходить на длинах волн либо 10,6 мкм, либо на 9,6 мкм в зависимости от используемого нижнего уровня. Задача Патела, над решением которой он долго трудился, состояла в том, чтобы найти способ и его техническое воплощение, обеспечивающее избирательное возбуждение верхнего лазерного уровня молекулы СО2 при сохранении нижнего уровня незаселенным.
Трудности накачки и спасительная молекула N2
Создать возбуждение колебательных уровней молекулы СО2 удается в плазме, образуемой электрическим разрядом. Но прямое возбуждение верхнего лазерного уровня при использовании известных типов электрического разряда в газах оказывается неэффективным. Процесс возбуждения осуществляется при столкновении электронов плазмы с молекулами СО2. Чтобы возбудить колебательный уровень с энергией, равной 0,3 эВ, необходимо, чтобы и энергия электронов в разряде в основном имела бы то же самое значение. Тогда вероятность неупругого соударения будет высокой. Энергии 0,3 эВ соответствует температура электронов порядка 3400 К.
Это очень низкая температура, при которой не идут процессы ионизации газа, без чего разряд существовать не может. А при температуре, достаточной для протекания интенсивных процессов ионизации, например, 10000К, возбуждение верхнего лазерного уровня молекулы проходит очень вяло. К тому же одновременно возбуждаются и все нижележащие колебательные уровни, что снижает и так невысокую инверсную населенность.
Пател нашел два великолепных решения, позволивших обойти эти трудности. Во-первых, он добавил к двууглекислому газу молекулярный азот в соотношении 1:1. Двухатомная молекула азота обладает уникальными свойствами, делающими ее незаменимым партнером в избирательном заселении верхнего лазерного уровня молекул СО2.
Дело в том, что первый колебательный уровень N2 имеет энергию, почти точно совпадающую с энергией верхнего лазерного уровня молекулы СО2 (0,3 эВ), но этот уровень азота эффективно заселяется при энергии электронов в разряде порядка 2 эВ (электронная температура порядка 22000К), то есть при энергии (температуре), достаточной также для эффективной ионизации газа.
Второе свойство молекулы азота состоит в том, что указанный уровень метастабилен и имеет очень большое время жизни. В разряде, состоящем из смеси двух газов при средней энергии электронов 2 эВ возбуждаются молекулы азота, но не СО2, и они успевают эффективно передать свою энергию возбуждения молекулам СО2 в процессах взаимных соударений. Тем самым обеспечивается прямое заселение возбужденными молекулами СО2 верхнего лазерного уровня.
Во-вторых, Пател использовал для накачки газовой среды тлеющий разряд. Разряд этого типа отличается сильной неравновесностью: при высокой электронной температуре (~2 эВ), температура газа, состоящего из молекул, остается очень низкой (< 400 К), что исключает заселение нижних лазерных уровней термическим путем.
Таким образом, применив смесь СО2 и N2, возбуждаемых в крайне неравновесном тлеющем разряде (температура электронов на полтора порядка выше температуры тяжелых частиц), Пател решил проблему создания маломощного СО2 лазера, обладающего высоким к.п.д. преобразования электрической энергии в энергию лазерного излучения в ИК области спектра (10% и более).
Борьба за повышение мощности СО2 лазера
С момента своего создания и до настоящего времени СО2 лазер остается одним из эффективных преобразователей энергии накачки в лазерное излучение. К тому же излучение в инфракрасной области спектра на длине волны порядка 10 мкм хорошо отвечает технологическим потребностям силовой обработки материалов.
Создание такого лазера потребовало от Патела преодоления серьезных проблем. Но не менее серьезные усилия потребовались от тех, кто работал над проблемами многоразового повышения мощности этого лазера, что позволило превратить его в серьезный инструмент, ставший основой многих технологических лазерных станков.
Каковы пути достижения больших мощностей?
Для идеального случая, когда вся энергия накачки расходуется на возбуждение верхнего лазерного уровня, а нижние уровни остаются свободными, предельно допустимая мощность лазера Рmax пропорциональна концентрации молекул СО2 n и объему активной лазерной среды V, но обратно пропорциональна времени опустошения нижнего лазерного уровня to.
Следовательно, повышать предельную, а, следовательно, и реальную мощность лазера можно увеличивая n и V, и уменьшая величину to. Уменьшать to возможно путем интенсификации отвода тепла из зоны разряда.
1. Интенсификация охлаждения. Лазер Патела представлял собой стеклянную (кварцевую) трубку с электродами по краям и с торцами, герметично закрытыми оптически обработанными окнами, прозрачными для ИК излучений в области 10 мкм.
Окна наклонены к оси трубки под углом Брюстера, что обеспечивает минимизацию в них оптических потерь. Отвод тепла из разряда осуществлялся радиально через боковые стенки трубки. Схематично устройство молекулярного лазера показано на рис.1
Первый шаг в интенсификации отвода тепла был сделан путем добавления в активную среду значительного количества гелия, теплопроводность которого примерно на порядок превышает теплопроводность остальных газов. Ускоряя отвод тепла к стенкам, добавка гелия практически не влияла на параметры тлеющего разряда.
Одновременно было осуществлено водяное охлаждение стенок. Радиус трубки при таком охлаждении не мог превышать 1,5 см, иначе столкновения молекулярных ионов на пути к стенкам тормозили вынос тепла, увеличивая to. При фиксированном значении радиуса предельное значение мощности лазерного луча пропорционально не объему, а длине L разрядного промежутка в трубке.
Расчет показывает, что в лучшем случае предельная мощность на единицу длины составляла: Pmax/L = 70 Вт/м. С учетом того, что реальная предельная мощность отличается от идеальной как минимум в 2 раза, для получения, например, мощности в 1 кВт, длину трубки надо было бы увеличить до 30 м.
2. Трудности увеличения концентрации молекул СО2 в активной среде. Повышение концентрации активных молекул (n) в разряде должно приводить к пропорциональному повышению предельно достижимой мощности. Однако первоначально такой путь считался неосуществимым. Увеличение концентрации сопровождается повышением давления активной среды.
Но как только давление превысит примерно 10 тор, тлеющий разряд скачком переходит в дуговую форму. Тогда прежний диффузный разряд стягивается к оси трубки, что сопровождается резким повышением температуры молекул при одновременном снижении температуры свободных электронов.
Разряд становится равновесным, в нем распределение возбужденных молекул по квантовым уровням устанавливается в соответствии с распределением Больцмана, инверсная населенность исчезает. В ходе дальнейших исследований удалось найти способ сохранения неравновесной диффузной формы разряда при давлениях газовой смеси от сотен тор до атмосферного.
3. Поперечная прокачка газа и поперечный электрический разряд. Кардинального решения проблемы повышения мощности лазера удалось добиться после того, как были внедрены два принципиально новые физико-технические решения.
Первое состояло во внедрении поперечной скоростной прокачки газа через зону разряда. Второе – одновременное с этим введение поперечного электрического разряда. Оба решения привели к революционным изменениям самого облика СО2 лазера.
Вместо архаичных стеклянных трубок стали применяться разрядные камеры, изготавливаемые из пластмасс, стеклопластиков или металлов с внутренней диэлектрической футеровкой. Камеры обеспечивали организацию разряда при больших сечениях разрядной области, что позволяло существенно уменьшить длину лазера.
Однако достигнутый прогресс потребовал пожертвовать простотой технических решений прежнего периода.
Поперечное сечение камеры, приведенное на рис.2, поясняет подобное утверждение. К разрядной камере (1) пристыковывается газодинамический тракт (3). В состав тракта входит теплообменник (4), вентилятор (5) и аэродинамическая решетка (6), выравнивающая поток газа перед входом в разрядную камеру. Поперечный поток газа и поперечный электрический разряд, протекающий между электродами (2), располагаются во взаимно перпендикулярных плоскостях.
Поперечный поток газа дает возможность значительно уменьшить время выноса тепла из зоны разряда и несколько увеличить скорость потока, что в несколько раз повышает предельную мощность по сравнению с прежними простыми вариантами. Но появляются и определенные недостатки.
Возникает смещение зоны разряда в потоке газа, что необходимо учитывать при установке зеркал оптического резонатора. Величина смещения зависит от скорости потока и если скорость меняется, то может возникнуть определенная разъюстировка.
В режиме непрерывной генерации стабильность разряда обеспечивается в узком интервале давления газовой смеси, силы разрядного тока, соотношения компонентов газовой смеси. Нестабильность становится одним из решающих факторов, ограничивающих не только предельно достижимую мощность, но и надежность работы лазера.
Для устранения подобных неприятностей приходится прибегать к особым мероприятиям. Такие мероприятия определились после того, как выяснилось, что повышение устойчивости разряда и одновременное расширение области давлений активной среды, в которой сохраняется его неравновесное состояние, можно достигнуть, разделив процессы возбуждения молекул и процессы ионизации разрядной среды.
Оба процесса осуществляются при неупругих столкновениях свободных электронов с молекулами газа. Но оптимальность возбуждения и оптимальность ионизации требуют от электронов заметно отличных энергетических характеристик. Совместить эти требования в одном разряде не удается.
Выход из создавшегося положения был найден в решении использовать отдельный источник дополнительной ионизации среды. В технологических лазерах таким источником служит дополнительный ионизующий разряд, например, высокочастотный разряд.
В заключение остается отметить, что сегодня существуют надежно работающие СО2 лазеры с выходными мощностями от сотен ватт до 5 киловатт и более. Они успешно используются в широко применяемых лазерных станках, предназначенных для обработки различных материалов, как металлов, так полупроводников и диэлектриков.
Литература
1.Р.Ровинский."О создании мощного молекулярного лазера", журнал "Химия и жизнь", 2005, 1, 21-25
Статья поступила в редакцию 04.04.2005 г.
