Laseri cu Dioxid de Carbon

LASERUL CU CO2

1. Notiuni introductive

Primul laser cu CO2 a fost construit de C. Patel în 1964. El a trimis un puls de descărcare electrică printr-un gaz pur de CO2 într-un tub laser, şi a obţinut la ieşire un puls mic laser.

Laserii cu CO2 se disting printr-o emisie puternica de pana la 10kW in regim continuu, la lungimi de unda in domeniul infrarosu indepartat:

λ (8,7÷11,8)μm.

Randamentul energetic al laserilor cu CO2 poate atinge 40%; aceste performante datorandu-se faptului ca inversia de populatie se realizeaza intre nivelele vibrationale ale moleculei de CO2 apropiate de starea fundamentala.

CO2 este un gaz în care se produce efect laser, dar pentru a îmbunătăţi eficienţa laserului trebuiesc adăugate alte gaze în tubul laser. Într-un laser cu gaz, mediul activ laser este un gaz la presiune scăzută (câţiva mili-torri).

Laserul standard cu CO2 include în mediul activ un amestec de CO2 cu N2 şi He. Proporţiile optime a celor trei gaze în acest amestec depinde de sistemul laser şi de mecanismul de excitare. În general, pentru un laser în undă continuă proporţiile sunt:

CO2 : N2 : He – 1:1 :8

CO2 este o moleculă liniară, şi cei trei atomi sunt situaţi pe o linie dreaptă cu atomul de carbon în mijloc. Molecula de CO2 are patru grade de libertate, care corespund la trei tipuri de vibratie :

1. Modul de întindere simetrică (ν1)

2. Modul de încovoiere (deformare) (ν2)

3. Modul de întindere asimetrică (ν3)

unde ν1, ν2 si ν3 sunt frecventele acestor vibratii date de relatiile:

h ν1 = 0,163eV

h ν2 = 0,078 eV

h ν3 = 0,276 eV

În figura de mai jos se ilustrează cele trei moduri vibraţionale ale moleculei de CO2:

Modurile de oscilaţie a moleculei de CO2

2. Tranziţiile laser în laserul cu CO2

Tranziţiile laser în laserul cu CO2 se produc când molecula va trece de pe un nivel de energie superior al unui mod asimetric pe unul din celelalte două, cum se poate vedea în figura 1.

1. Tranziţia pe modul de întindere simetric corespunde lungimii de undă λ = 10,6μm

2. Tranziţia pe modul de încovoiere corespunde lungimii de undă = λ = 9,6μm

Fig. 1 Diagrama nivelelor de energie pentru laserul cu CO2

Tranziţiile pot avea loc între nivele de energie vibraţionale cu diferite nivele de energie Fiecare nivel de energie vibraţional este subdivizat în multe nivele de energie rotaţionale, deci sunt multe linii laser în jurul principalelor tranziţii vibraţionale.

3. Funcţionarea laserului cu CO2

Laserii cu CO2 sunt folositi in doua moduri de functionare :

(i) regim continuu

(ii) regim de impulsuri.

In cazul functionarii in regim continuu exista mai multe tipuri de laseri: laserul cu flux longitudinal, laserul etans, laserul cu flux de gaz transversal, laserul gazo – dinamic, etc.