Сварка в машиностроении.Том 1 (1041435), страница 110
Текст из файла (страница 110)
В результате падающая волна усиливается волной, излучаемой возбужденным атомом. Важным в этом процессе является то, что испускаемая волна в точности совпадает по фазе с той, под действием которой она возникла. Это явление используется в квантовых усилителях. Квантовые генераторы преобразуют электрическую, световую, тепловую или химическую энергию в монохроматическое когерентное излучение электромагнитных волн: ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазона.
Излучателем — активным элементом могут быть твердые тела: стекло с неодимом, рубин, гранат с эрбием и др. Квантовые генераторы на алюмонатриевом гранате с неодимом позволяют получать мощность до 1 кВт в непрерывном режиме. В качестве излучателя используются также различные жидкости: растворы окиси неодима, красители и др. Жидкостные квантовые генераторы на неоргани. ческих жидкостях по своим характеристикам ближе всего стоят к твердотельным импульсным генераторам, но превосходят их по энергии в импульсе вследствие больших объемов активных элементов. Излучателями могут быть также газы и газовые смеси; водород, азот, аргон, углекйслый газ и др. У таких генераторов самый широкий спектральный диапазон излучения н наибольшая мощность в непрерывном излучении при достаточно высоком КПД (15 — 20%).
В последнее время в качестве излучателей используют также полупроводниковые монокристаллы: арсениды галлия и индия, сплавы кадмия с селеном и серой и др, Генераторы с полупроводниковым излучателем обладают малым весом, экономичны и имеют самый высокий КПД (до 0,70). Излучатель возбуждается и генерирует свет под действием энергии системы накачки: твердотельные и жидкие активные элементы возбуждаются светом импульсных ламп; газовые смеси в основном накачиваются энергией газового рая р зр да; полупроводниковые излучатели используют энергию электрического тока, протекающего через область р — и-перехода.
Разработаны системы, которые позволяют использовать для накачки газовых лазеров тепло и энергию химических реакций. В зависимости от энергетических параметров системы накачки лазерВ работает в импульсном или непрерывном режиме. квантовых технологических генераторах обычно в качестве основного энергетического элемента используют рубин. Рубин — это окись алюминия, в которой небольшое число атомов алюминия замещено атомами хрома.
Обычно в квантовых генераторах используют бледно-розовый рубин, содержащий 0,05% Сг. Используемый в лазере а» розовый кристалл рубина обрабатывается в виде стерженька, длина и диаметр которого определяют мощность излучения. Его торцы полируют до получения оптически плоской поверхности, затем их подвергают серебрению для получения отражающих поверхностей. Выходной коне кр ! талла является полупрозрачным. Рубиновый стерженек помещают вблизи ис электронной лампы вспышки, служащей источником широкополосного света для оптической накачки. Энергетическая схема квантового генератора на рубине показана на рис. 87.
В квантовом генераторе на кристалле рубина атомы хрома, находящиеся в исходном состоянии (1), поглощают фотоны (волнистые стрелки) и переходят ° 'л атп !ц!са!! и азер — термин появился от сочетания следующих первых бук сл: !!я!1! р 'о Ьу з!!пзн!а!ео епннион о! гао!а!!оп (усиление света путем использования в ов: индуцированного излучения), на один из вышерасположенных уровней (11). Часть энергии они передают кристаллической решетке, вызывая повышение температуры, и переходят при этом в метастабильный уровень (111). Затем под действием индуцирующих фотонов, испускаемых другими атомами хрома, они излучают фотоны характеристической длины волны, возвращаясь опять в исходное состояние (1)/). Лазер на кристалле рубина питается от импульсной лампы.
При освещении лампой вспышкой рубинового стерженька большинство атомов хрома переводится в возбужденное состояние. При спонтанном испускании возбужденным атомом фотона параллельно оси кристалла фотон побуждает другой возбужденный атом испустить второй фотон (индуцированный). Этот процесс продолжается лавинообразно, поскольку фотоны, отражаясь от торцов кристалла, движутся по кристаллу в осевом направлении. Интенсивность пучка растет в результате многократного отражения от обоих торцов стержня. В этом случае, если интенсивность света от импульсной лампы превысит некоторый критический уровень, начинает появляться эффект квантового усиления и тогда с полупрозрачного торца в те- Рис.
87. Энергетическая схема квантового генератора на кристалле рубина чение тысячных долей секунды выбрасывается интенсивный поток фотонов с длиной волны 6943 Л. Выходной пучок является узконаправленным, мощным, моно- хроматическим и когерентным. Излучение является узконаправленным вследствие того, что испускаются волны, лишь тысячекратно отраженные и не испытавшие сколько-нибудь сущест. венного отклонения от оси прибора. Это излучение является мощным, так как индуцированное излучение возбужденных атомов происходит гораздо раньше, чем произошло бы спонтанное излучение.
Высокая степень монохроматичности излучения обусловлена тем, что индуцированное излучение представляет собой резонансный процесс и в силу этого более привязано к центру полосы частот, чем излучение, спонтанно испускаемое атомами. Эти предпочтительные частоты возбуждают, в свою очередь, излучение на той же частоте, так что волна в квантовом генераторе содержит чрезвычайно узкий интервал частот и длин волн.
Обычный белый световой луч, состоящий из электромагнитных волн различной длины, фокусируется линзой в значительном объеме вследствие дисперсии света, различной степени преломления стеклом линзы световых волн различной длины. Дисперсия света приводит к тому, что узкий пучок белого света, проходя линзы, уширяется, образуя спектр. Монохроматический световой луч лазера состоит из электромагнитных волн одной длины, и поэтому такой луч фокусируется в очень малом объеме, практически в точке (рис.
88). Плотность энергии светового луча в фокусе линзы определяется как р= †, где р — плотность энергии; Š— энергия луча; У объем фокуса, Так каи Я и/р, Олыиаиского, т. ! 443 Специальныв виды сварки Сварка световым лучом с»,й» ы ~» М ь с» объем фокуса для белого луча имеет значительные величины вследствие дисперсии света, то плотность энергии в фокусе такого луча невелика. Для луча лазера объем фокуса очень мал (У -+ 0), а плотность энергии в фокусе имеет очень большие значения и может достигать 10' — 10а Вт/смв.
Однако время импульса мало и составляет 1О ', с. КПД квантовых генераторов на рубине невелик и составляет 0,1%. Создание мощных квантовых генераторов, обладающих большим КПД, по-видимому, в ближайшем будущем приведет к необходимости пересмотра установившихся взглядов на ряд существующих технологических процессов. Несмотря на низкий КПД оптических квантовых генераторов на рубине, генераторы этого типа находят практическое применение при сварке. На рис. 89 представлена схема сварочного квантового генератора на рубине. Сварочная установка представляет собой комплекс оптико-механических и электрических элементов, основным из которых является оптический квантовый генератор на рубиновом кристалле.
Установка состоит из генератора, блока питания, стола с конденсаторами и стереоскопического микроскопа. а) д1 Рис. 88. Фокусирование линзой белого (а) и монохроматического (б) лучей: 1 — фокусирующие системы; у и 3 — фиолетовый н красный лучи Генератор предназначен для преобразования энергии, запасенной в блоке конденсаторов, в узконаправленный, монохроматический, когерентный световой пучок. Основным узлом генератора является осветительная камера 1 (рис. 89, а), внутри которой вставлен кристалл рубина 2.
В камере параллельно кристаллу установлена импульсная лампа 3, на концы которой подводится высокое напряжение. Внутренняя поверхность камеры отполирована и является отражателем света. В камеру подается сжатый воздух для охлаждения кристалла рубина. Использованный воздух уходит в атмосферу. Для формирования испускаемого кристаллом рубина излучения и направления его на место сварки служит формирующая оптическая система, состоящая из призмы 4, линзы и сменного объектива 5. Формирующая система снабжена сменными объективами, которые фокусируют параллельный пучок света, испускаемый генератором, в пятно диаметром 0,25 — 0,05 мм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
