Промышленное применение лазеров

поляризации, перпендикулярной плоскости падения на них луча

(вертикальная ориентация вектора Е на рис. 2.12).

Возбуждение газовой среды может быть обеспечено как с по­ мощью безэлектродного высокочастотного индукционного разряда, так и с помощью разряда на постоянном токе.

Давление рабочей смеси гелий-неонового лазера составляет не­ сколько миллиметров ртутного столба, столкновительное уширение незначительно, и излучение отличается высокой степенью когерент­ ности. Поэтому такие лазеры широко применяются для интерферо­ метрических измерений, в лазерных гироскопах и других устройст­ вах, в которых требуется монохроматическое когерентное излучение.

Газоразрядная трубка изготавливается из кварца или высокока­ чественного стекла, подвергается термической обработке, откачива­ ется и заполняется рабочей смесью.

Диаметр газоразрядной трубки оказывает сильное влияние на величину выходной мощности. Увеличение диаметра приводит к увеличению объема активной среды, и мощность должна была бы нарастать. Однако с ростом диаметра трубки снижается электронная температура, что снижает инверсию. В результате существует опти­ мальный диаметр газоразрядной трубки, который для трубки метро­ вой длины равен 7+9 мм. Повышения мощности генерации можно добиться за счет применения трубок с эллиптическим сечением. Де­ лая сечение трубки эллиптическим, можно, сохраняя минимальный размер сечения неизменным, увеличить объем активной смеси за счет другого размера сечения.

Для гелий-неонового лазера значение энергии электрона, необ­ ходимое для возбуждения гелия, - около 20 эВ. Средняя энергия хао­ тического движения электронов (электронная температура) в разря­ де - порядка 7+8 эВ, электронов с энергией выше 20 эВ в разряде - не более 5+6 %. Такого же порядка и эффективность использования энергии накачки. Подобная ситуация и в ионных лазерах. Для гелийнеонового лазера КПД нс может быть более 10 %.

Ионные лазеры - это тип газовых лазеров, в которых верхний уровень заселяется путем двух последовательных столкновений

сэлектронами в электрическом разряде (ионизация + возбуждение).

Вионных лазерах используются нс атомные переходы, а пере­ ходы между возбужденными состояниями ионов. Ионные лазеры способны генерировать гораздо большую непрерывную мощность по сравнению с лазерами на атомных переходах. Вероятность ионных переходов, как правило, больше, чем вероятность атомных. Разность энергий между уровнями рабочего перехода больше, и, следователь­ но, излучение происходит в более коротковолновой области по срав­

нению с атомарными лазерами. Ионные лазеры генерируют свет в видимом и ультрафиолетовом диапазонах длин волн. Чтобы полу­ чить значительную долю ионов в разряде, плазма должна быть высокоионизованной, что можно обеспечить при использовании сильноточного дугового разряда. Рабочий ток в ионных лазерах достигает нескольких десятков ампер, а плотность тока - 1000 А/см2 Это вы­ зывает необходимость использования охлаждаемых электродов. Ох­ лаждается также и газоразрядная трубка, которая для получения вы­ сокой плотности делается малого диаметра, в виде капилляра. Рабо­ чее давление газа, как правило благородного, составляет десятые доли миллиметра ртутного столба.

Одним из наиболее распространенных ионных лазеров непре­ рывного действия является аргоновый лазер, работающий в диапазо­ не длин волн 488-^-514 нм (где = 488 нм - голубая область спектра, а к2= 514 нм - зеленая). При увеличении давления газа концентрация электронов возрастает, а электронная температура уменьшается. Это приводит к существованию некоторого оптимального давления, при котором инверсия AN и мощность генерации максимальны. Область оптимальных давлений - десятые доли миллиметра ртутного столба.

Схема ионного лазера показана на рис. 2.13.

Рис. 2.13. Конструкция аргонового лазера

Из-за большой плотности гока в разрядной трубке 1 может про­ исходить перекачка ионов к катоду, поэтому требуется дополнитель­ ный обводной канал 2. Для предотвращения разрушения трубки при бомбардировке быстрыми ионами ее изготавливают из керамики и помещают в продольное магнитное поле, создаваемое соленоидом 3.

Суммарная мощность генерации ионных лазеров достигает де­ сятков ватт на трубках длиной до 2 м, коэффициент полезного дейст­ вия (КПД) составляет сотые-десятые доли процента.

Атомарные и ионные лазеры имеют весьма малый КПД. Это связано с тем, что верхний рабочий уровень высоко расположен

Молекулярные газовые лазеры

С точки зрения повышения КПД газовых лазеров перспектив­ ным является использование низко расположенных энергетических уровней, например вращательных и колебательных молекулярных уровней. В молекуле, состоящей из нескольких атомов, внутренняя энергия определяется не только энергией электронов каждого атома.

ний ИК-диапазон). Они относятся к классу молекулярных лазеров и работает на низкоэнергетических колебательно-вращательных уровнях, то есть уровнях, энергия которых обусловлена движением составляющих молекулу атомов, а не возбуждением электронов.

Активный элемент С02-лазера представляет собой рабочую смесь под давлением около 1 мм рт. ст., находящуюся в вакуумной камере. Часть этой камеры, в объеме которой происходит инверсия рабочей смеси под действием электрического разряда, называется газоразрядной камерой. Длина газоразрядной камеры, как правило, - 1000-^-5000 мм, а диаметр - 25-400 мм. Обычно для возбуждения ак­ тивной среды используют тлеющий разряд постоянного тока, но можно использовать и другие виды разрядов.

Оптимальными компонентами являются гелий, водород и вода. Соответственно этому используется газовый разряд со смесью С02,

N2 и Не (отношение парциальных давлений ^С02: : ^Не “ I : 1 :8 )•

В лазерах же на чистой смеси С02 - N2 рабочий объем заполняется смесью углекислого газа и азота в соотношении (1:1 )-=-( 1:5) при об­ щем давлении порядка 1 мм рт. ст. Добавка гелия значительно уве­ личивает мощность генерации. К уменьшению инверсии заселенно­ стей приводит диссоциация молекул С02 (5(Н80 % молекул распада­ ется в течение 0,1-4 с) с образованием молекул СО и повышение температуры газа, в результате чего происходит более высокое теп­ ловое заселение нижнего лазерного уровня и ускорение столкновительной релаксации верхнего лазерного уровня.

Система накачки представляет собой два электрода - анод и ка­ тод, к которым приложено электрическое напряжение. Зависимость мощности генерации от тока разряда имеет явный максимум. Опти­ малыше значения разрядного тока лежат в пределах десятков и сотен ампер, при этом напряжение на трубке достигает 10 кВ. Накачка осу­

ществляется электронным ударом и передачей возбуждения от моле­ кул N2. Гелий выполняет роль буферного газа: через неупругие столк­ новения с его атомами молекулы С02 переводятся в основное состоя­ ние; кроме того, более эффективно отводится тепло на стенки трубки.

Существует несколько разновидностей С02-лазеров: С02-лазер с непрерывным возбуждением; импульсные С02-лазеры; ТЕ-лазер на С02 высокого давления; волноводный С02-лазер; газодинамический С02-лазер и ряд других.

Схема импульсного С02-лазера показана на рис. 2.14.

Рис. 2.14. Конструкция лазера на углекислом газе: 1 - канал, по которому прокачивается рабочая смесь, 2 - разрядник. 3 - зеркала резонатора

Наиболее мощным из перечисленных типов С02-лазеров явля­ ются газодинамические, с помощью которых можно получать непре­ рывную генерацию с мощностью более 100 кВт. В этих лазерах ин­ версия населенностей образуется благодаря тому, что смесь газов (С02, N2, Н20) с высокой температурой (1500 К) и большим давлени­ ем (2 МПа) вытекает через сверхзвуковое сопло с высокой скоро­ стью. Из-за того, что при истечении газодинамической струи проис­ ходят ее расширение и охлаждение, нижний лазерный уровень С02 релаксинует к состоянию с более низкой температурой существенно

быстрее, чем верхний, поэтому в направлении потока образуется ин­ версия населенностей.

Схема установки, реализующей газодинамический метод (в ко­ тором инверсия населенностей возникает не при электрическом раз­ ряде, а при расширении смеси газа через сопло) на основе использо­ вания молекул С02, представлена на рис. 2.15.

н2

Рис. 2.15. Схема получения непрерывной генерации газодинамическим методом

В камеру сгорания (по внешнему виду напоминающую камеру сгорания реактивного двигателя) 1 поступает по трубке 2 жидкое то­ пливо, а по трубкам 3 и 4 кислород и молекулы N2 и Н2, служащие в качестве примесей. С помощью запального устройства 5 топливо воспламеняется, образуется С02; Н20 и горячая смесь газов, имею­ щих относительный состав C02:N2:H20^8:91:1, поступает при темпе­ ратуре ~ 1000 °С под большим давлением в сопло 6, откуда со сверх­ звуковой скоростью эта смесь попадает в большой объем 7, где про­ исходит быстрое расширение, а следовательно, и быстрое охлаждение газа. При этом охлажденный газ оказывается в области резонатора Фабри-Перо, образованного зеркалами 8 и 9, где происходит инду­ цированное девозбуждение молекул С02 и лазерная генерация.

Когерентное излучение в ультрафиолетовом диапазоне дайн волн хможно получить в лазерах на Н2 и на атомах, находящихся в различных ионизационных состояниях Ne. Аг, Кг, Хе, Cl, F, С, О, N и т.д.

Система охлаждения представляет собой систему трубок, через которую с большой скоростью прокачивают охлаждающую жид­ кость, например дистиллированную воду. Охлаждают, как правило, рабочую смесь, зеркала резонатора, выходное окно, а также элемен­ ты оптического тракта.

Как правило, линзовая оптическая система для С02-лазера пред­ ставляет собой коллиматор (телескопическая система для уменьшения расходимости излучения) и одиночную фокусирующую линзу, т.к. применение многолинзовых систем слишком дорого.

Для фокусировки излучения СС^-лазера применяют как зер­ кальные, так и линзовые оптические системы. При выходных мощ­ ностях лазеров до 3 кВт применяют, как правило, проходную (линзо­ вую) оптику.

Излучение выходит из лазера через выходное окно, которое представляет собой или пластину из прозрачного для излучения ма­ териала или гак называемое газодинамическое окно, состоящее из набора диафрагм, перпендикулярных выходному лазерному пучку. В последнем случае для предотвращения натекания атмосферного воздуха в вакуумный объем лазера дополнительно откачивают воз­ дух из междиафрагменного пространства с помощью специального вакуумного насоса. Такое выходное окно хотя и усложняет конст­ рукцию лазера, но имеет неограниченно долгий срок службы.

Основным критерием для материалов проходной оптики, рабо­ тающей с излучением мощного С02-лазера, является минимальный коэффициент поглощения излучения с длиной волны X = 10,6 мкм, т.е. высокая прозрачность для такого излучения. Дополнительными, но очень важными требованиями являются высокая механическая и термическая стойкость материалов, частичная прозрачность в ви­ димом диапазоне (для обеспечения визуального позиционирования обрабатываемой детали), стабильность размеров и формы в процессе эксплуатации, высокая химическая стойкость и низкая токсичность материалов, большой ресурс работы и умеренная стоимость мате­ риала и сырья для его изготовления.

Еше одной особенностью ЛТУ с мощными ССЬ-лазерами явля­ ется их громоздкость и высокая стоимость. Масса таких ЛТУ может достигать нескольких тонн. Между тем созданы и относительно ком­ пактные ССЬ-лазеры, например, с выходной мощностью 120 Вт и мас­ сой 28 кг, предназначенные для высокоскоростной обработки мате­ риалов. Такой лазер обычно устанавливают на манипуляторе про­ мышленного робота.

Недостатки газовых лазеров - большие габариты, потребление значительного количества газовой смеси, очень высокий уровень шума при работе.

Газовые лазеры могут излучать в одномодовом режиме, их из­ лучение имеет высокую степень когерентности и малую расходи­ мость, т.е. высокую способность к фокусировке. С помощью ССЬ-ла- зера достигается максимальная непрерывная мощность лазерного излучения. Его высокий КПД (больше 20 %) превышает КПД почти всех других лазеров, за исключением полупроводниковых.

Разновидность газовых лазеров

Эксимерные лазеры

Эксимерные лазеры - молекулярные лазеры, использующие пе­ реходы молекул, существующих только в возбужденном состоянии (такие молекулы называются эксимерами). Поскольку в основном состоянии атомы эксимера (от англ, excited dimer) отталкиваются, то сразу после генерации молекула диссоциирует и нижний лазерный уровень всегда будет пустым. Это облегчает получение инверсии и повышает эффективность накачки. Благодаря тому, что рабочие лазерные уровни имеют высокую энергию, эксимерные лазеры гене­ рируют в коротковолновой части спектра, например ксеоновый лазер излучает в области вакуумного ультрафиолета (к = 170-4 75 нм). Второй особенностью эксимерных лазеров является возможность перестройки частоты генерации, т.к. нижний лазерный уровень из-за очень короткого времени жизни сильно уширен.

В эксимерных молекулах для лазерной генерации используются электронно-колебательные переходы между устойчивым возбужден­ ным (Е[) и химически неустойчивым основным состоянием (Ес). В каче­ стве примера эксимерных молекул можно привести возбужденные мо­ лекулы благородных газов и их соединения: Хе~, Kr2, Ar*, XeF*, ХеСГ,

KrF\ ArF* и т.д. (звездочка означает возбужденную молекулу).

Если в рабочем объеме создать большую концентрацию экси­ мерных молекул, например пучком электронов с энергией до 1 МэВ и плотностью тока до 101 А/см2, излучение эксимерного лазера происходит в сравнительно широком спектральном диапазоне, что позволяет перестраивать частоту генерации в пределах этого пере­ хода. Помимо широкополосности эксимерные переходы из возбуж­ денного в основное состояние происходят очень быстро, что связа­ но с диссоциацией эксимерной молекулы. Это приводит к практи­ чески мгновенному опустошению нижнего лазерного уровня. Время жизни эксимеров примерно КГ9-Ч(Г8 с, поэтому эксимерные лазеры работают в основном в импульсном режиме, генерируя ко­ роткие импульсы излучения с энергией до 10 Дж и КПД до 10 %.

Химические лазеры

Главное достоинство этих лазеров - возможность работы без внешних источников накачки, т.е. возможность автономной работы без специального снабжения энергией (электропитанием).

Схема химического лазера показана на рис. 2.16.

Инверсия населенностей в химических лазерах достигается за счет энергии химических реакций между отдельными составляющи­ ми активной среды, когда избыток энергии выделяется в виде коле­ бательно-вращательного возбуждения молекул. Поэтому линии гене­ рации лежат в среднем и дальнем ИК-диапазонах (пример наиболее распространенной лазерной реакции: F2 + Н2 = 2HF* с X- 2,7-о,2 мкм). При этом используются только экзотермические реакции. В резуль­ тате этих реакций в газовых смесях, например таких, как HF, проис­ ходит выделение энергии, большая часть которой переходит в коле­ бательную энергию молекул.

Рис. 2.16. Схема химического лазера:

7 - реактор; 2 - зеркало резонатора; 3 - излучение

Таким образом, основным достоинством химических лазеров является прямое преобразование химической энергии в энергию электромагнитного лазерного излучения с высоким КПД (~10 %). К другим достоинствам химических лазеров можно отнести: боль­ шие мощности излучения в непрерывном режиме (>10 кВт), высокое значение удельной энергии (~10 Дж/л), отсутствие громоздких ис­ точников питания. Химические лазеры работают на колебательновращательных уровнях в спектральном диапазоне 3+10 мкм.

Наиболее разработан лазер на фтористом водороде (л,= 2.6+3,6 мкм, мощность в непрерывном режиме до 4,5 кВт, энергия в импульсном режиме до 2,3 кДж, КПД 15 %). Длина волны зависит от применяемых компонентов.

Газодинамический и химический лазеры в технологии пока не используются ввиду их несовершенства. Однако в будущем не ис­ ключена возможность использования таких источников лазерного излучения и в технологических целях при дистанционном распреде­ лении требуемых порций лучевой энергии по рабочим местам.