В 1964 году Пател запустил первый СО₂ лазер. Достигнутый им успех определился двумя факторами: он использовал смесь СО₂ и N ₂ и применил для накачки такой смеси тлеющий разряд. Первые лазеры имели оформление, представленное на рис. 2.8.

СО₂ лазеры такой конструкции называют диффузионными, так как тепло от разряда отводится процессом диффузии заряженных и нейтральных частиц к стенкам трубки. Для интенсификации радиального теплопереноса используют водяное охлаждение стенок, окружая их стеклянной водяной рубашкой (3). Торцы трубки герметично закрывают прозрачными для ИК-излучения выходными окнами (2). Поскольку СО₂ лазер генерирует излучение в диапазоне длин волн от 9 до 11 мкм (главным образом на волне 10,6 мкм), то стекло и кварц, как и некоторые другие оптические элементы, работающие в видимом и в ближнем ИК диапазонах излучения, для создания окон, прозрачных в этом дипазоне длин волн, непригодны, нужны особые материалы и о них речь впереди.

Характерные размеры первых СО₂ лазеров: диаметр разрядной трубки от 1 до 10 см, длина трубки до 2 м. При создании газоразрядного лазера необходимо решить три основные проблемы:
- проблема организации разряда в трубке (камере);
- проблема отвода тепла, выделяющегося в зоне разряда;
- проблема «порчи» газовой смеси, главным образом из-за диссоциации молекул в разряде: СО₂ СО + О. Рассмотрим каждую из этих проблем.

Организация разряда складывается из следующих элементов:
- выбор компонентов газовой смеси и соотношений их парциальных давлений;
- выбор общего давления газа;
- выбор источника электропитания и его параметров;
- установление зависимостей параметров среды (Т_а , Т_е , коэффициент усиления среды на длине волны лазерного излучения, выходная мощность излучения) от геометрических размеров трубки (камеры), от состава газа, давления, интенсивности охлаждения, от плотности разрядного тока и напряженности электрического поля.

В лазерах диффузионного типа использовался типичный состав газовой смеси: СО₂ , N ₂ , He. Нахождение оптимального соотношения парциальных давлений компонентов предпочтительно определяется экспериментально.

В других случаях это соотношение может быть иным, но не должно превышать ~ 3. Выбор парциального давления гелия более свободен, и соотношение парциального давления Не к парциальному давлению СО₂ колеблется от 1 до 10.

Общее давление газа, как было отмечено при рассмотрении тлеющего разряда, не должно превышать 10 Тор. Учитывая, что доля молекул СО₂ в смеси газов не превышает 50%, а обычно из-за добавки гелия она существенно ниже, делаем вывод, что концентрация излучающих центров в активной лазерной среде довольно низкая.

Проблема отвода тепла из зоны разряда – одна из самых существенных при попытках повысить выходную мощность лазера. При напряженности электрического поля и плотности разрядного тока в каждом единичном объеме газа выделяется джоулево тепло . Температура газа, нагреваемого этим теплом, определяется из соотношения:

– теплоемкость при р = const, Т_о – комнатная температура, – частота соударений электрона с атомом (слабо ионизованная плазма) или с ионом (сильно ионизованная плазма), W_охл – энергия, уносимая из зоны разряда в процессе охлаждения.

При радиальном охлаждении в режиме диффузии эта энергия не велика, что накладывает жесткие ограничения на предельно допустимые значения R, p, j, а также на предельную мощность излучения, которую можно достигнуть в лазере данного типа. Электронная температура в тлеющем разряде, как уже говорилось, достигает порядка 2 эВ. Что же касается предельно допустимой температуры нагрева газа, то представление о ней можно получить из графика, приводимого на рис. 2.10.

График отображает зависимости скорости обмена колебательной энергией К_Т между молекулами N₂ и СО₂ , скорости релаксации верхнего лазерного уровня молекулы СО₂ , и скорости релаксации верхнего колебательного уровня молекулы N₂. В сочетании с возрастающей интенсивностью термического заселения нижних лазерных уровней молекулы СО ₂ это ведет к резкому снижению инверсной населенности или к полному ее исчезновению.

Выбор параметров источника питания. Блок – схема источника питания непрерывного СО₂ лазера представлена на рис.2.11.

Потребляя напряжение от сети электропитания 220/380 вольт переменного напряжения, он состоит из регулятора напряжения (1), высоковольтного трансформатора (2) и высоковольтного выпрямителя (3). Отдельным блоком в источник питания входит прибор инициирования разряда (4). Инициирование разряда представляет собой особую задачу, для реализации которой используют, кроме отдельного блока питания, поджигающий электрод, входящий в состав разрядной трубки. Система поджига создает импульс высокого напряжения, способный обеспечить пробой холодного газа в разрядном промежутке, либо создается высокочастотный импульс, способный обеспечить предварительную ионизацию газа в этом промежутке.

Параметры основного источника питания определяются электрическими свойствами разрядного промежутка в процессе горения в нем разряда и необходимыми пределами их изменения. Формирование требований к источнику питания опирается, как минимум, на знание вольтамперной характеристики (ВАХ) разряда. ВАХ зависит от геометрии разрядной трубки (камеры), от состава и давления газов, от степени ионизации плазмы (от электропроводности). Учет всех факторов, влияющих на ВАХ, в принципе может быть осуществлен расчетным путем, но это сложный и не всегда надежный путь. Поэтому чаще предпочитают находить ВАХ экспериментально для каждого конкретного устройства. Качественное представление о характерных особенностях ВАХ диффузного СО₂ лазера можно получить на конкретном примере, представленном на рис. 2.12.

Эти зависимости получены при следующих параметрах лазера: диаметр разрядной трубки 20 мм, общее давление газовой смеси р = 2,5 Тор. Кривая (1) получена в условиях, когда использована смесь только двух газов – СО₂ и N₂ при отношении парциальных давлений ; кривая (2) – это ВАХ при наполнении трубки тремя газами с отношением парциальных давлений: Общее давление газа и разрядный ток те же, что и при получении кривой (1). Обе зависимости падающие, то есть с повышением разрядного тока напряжение на разрядном промежутке уменьшается. Для нормального поддержания разряда при таком характере ВАХ необходимо ставить во внешнюю электрическую цепь балластное сопротивление.

С ростом разрядного тока растет концентрация электронов и увеличивается электропроводность газа. Качественно представление о характере такого роста дает экспериментальный график на рис. 2.13. Зависимость n_e от i_p получена в тех же условиях, что и ВАХ на рис. 2.12. Но следует иметь в виду, что возможности повышения тока в тлеющем разряде ограничены пределами, о которых говорилось ранее.