книги / Промышленное применение лазеров
..pdfполяризации, 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
над исходным состоянием, с которого идет возбуждение, |
поэтому |
в процессе создания инверсии населенностей принимает |
участие |
лишь малая доля общего числа электронов. |
|
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.
но и энергией |
колебательного и вращательного |
движений атомов |
|
в целом около некоторого положения равновесия. |
|
||
Самыми |
мощными промышленными |
лазерами являются |
|
СО?-лазеры, работающие на смеси C02-N 2^He |
(к |
10,6 мкм, даль |
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.