The strong laser action of $CO_2$ occurs in glow discharge of $CO_2-N_2$-He gas mixtures. The laser action is on a number of rotational transitions belonging to the $\sum^+_u - \sum^+_g$ vibrational band of $CO_2$ in the region of 9.4μ and 10.6μ. We have investigated the physical processes in the $CO_2$ laser system and compared the theoretical results with the performance data of home-made $CO_2$ laser.
The dependence of the small signal gain and the saturation intensity, which are important for calculating the output power of $CO_2$ laser, are calculated following the thermodynamic approach. The basic assumption of the thermodynamic approach is that the molecular vibrations are simple harmonic oscillations and each vibrational mode can be characterized by a kinetic temperature. The various energy transfer processes were integrated to obtain a self-consistent energy transfer equations. In doing so, energy transfer rates were tabulated and the energy conservation principle was applied. The molecular vibrational temperatures are computed numerically from the energy equations using the steady state condition. Our calculation assumes the total gas pressure at 8 torrs and the mixture ratio of $CO_2$: $N_2$: He=1:1:8 which is near the optimum condition for the maximum power output.
The $CO_2$ laser constructed for this experiment uses a conventional water-cooled cylindrical discharge tube, which is placed in a two-mirror optical resonator. The diameter of the curved tube is 2cm and the discharge length is 80cm. Using an optical power meter, the output laser power is measured at different discharge currents and gas pressures.
1964년 탄산가스 분자의 레이저 현상이 발견된 이래 탄산가스 레이저는 여러 응용 부문에서 각광을 받고 있다. 탄산가스 레이저를 발생시키는 방법은 여러가지가 있으나, 일반적으로 가장 많이 쓰이는 방법은 고전압을 이용하여 $CO_2$ - $N_2$ - He 혼합 기체의 글로우 방전에 의하여 탄산가스 분자를 여기 시키는 방법이다. $CO_2$ - $N_2$ -He 혼합 기체의 글로우 방전내에서는 여러가지 복잡한 에너지 전달반응이 일어나게 된다. 이 논문에서는 탄산가스 레이저의 글로우 방전내에서의 에너지 전달 반응을 조사하고, 여러가지 플라스마 조건에 대한 레이저의 출력 특성을 계산하고, 탄산가스 레이저를 제작하여 그 출력을 측정하여 이론치와 비교하였다.
레이저의 출력을 계산하는 데 필요한 사항은 소 신호 이득 ( small signal gain), 포화강도(saturation intensity)와 반사경들에 의한 손실이다. 기체압이 8 torr 이고 $CO_2$:$N_2$:He 의 분압비가 1:1:8인 경우의 혼합 기체에 대해서, 여러가지 플라스마 조건에서 소신호 이득과 포화 강도를 계산하였다. 이런 소 신호 이득, 포화 강도를 계산하기 위해서는 열역학적 방법을 채택하였다. 열역학적 방법이란, 분자들의 진동이 단순 조화 진동(simple harmonic oscillation)이고 각 진동 레벨 내에서는 Maxwell 분포를 이룬다는 가정 하에서, 각 진동 레벨들에 에너지 보존 법칙을 적용하고 정상 상태의 조건을 써서 분자의 진동 온도를 수치적으로 계산해 내는 방법이다. 계산 결과에 의하면 레이저의 출력을 높이기 위해서는 기체의 온도를 저하시켜야 하고 전자의 밀도를 증가시켜야 한다는 것을 알 수 있다. 그러나 전자 밀도를 증가시키기 위하여 방전 전류를 증가시키는 경우, 기체 온도가 상승하여 출력이 오히려 감소하는 경우가 있다. 탄산가스 레이저에서는 기체의 온도를 낮게 유지시킨다는 것이 매우 중요하다는 사실을 계산결과에서도 볼 수 있다.
실험을 위해서는 2중 유리관을 이용한 수냉식 레이저를 제작하였다. 이때 방전관의 내경은 2cm 방전하는 길이는 80cm로 하였다. 기체의 압력과 방전전류를 변화시켜 가며 레이저의 출려과 플라스마 파라미터들을 측정하였다. 측정된 플라스마 파라미터들을 사용하여 계산하여 측정치와 비교하였다. 두 결과를 비교해 보면, 계산시 많은 가정이 들어 갔어도 두 결과가 비교적 잘 일치하고 있음을 알 수 있었다. 기체의 압력이 14.5 torr 일 때의 실험치와 계산치를 비교하면 다음과 같다.
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