Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Оптимальный состав газа, зависящий от диаметра трубки, скорости потока и выхода, может выглядеть так; 9 % СО,, 11 % Х, и 80 % Не при общем давлении 20 мбар= 20 гПа. Поток газа служит для удаления продуктов диссоциации (например, СО и 0,) из активного объема. Мощность лазера (см.
таблицу 6.3) обычно регулируется током разряда. Лазерами этого типа достигаются мощности от 50 до 80 Вт на метр длины разряда, а их коэффициент полезного действия составляет выше 1О % При высоких токах усиление понижается, так как в результате повышения температуры увеличивается термическая заселенность нижнего лазерного уровня. Сила тока при максимальной мощности составляет около 80 мА (при 14 мбар и диаметре 2,5 ем). Мощность лазера и коэффициент полезного действия лишь незначительно зависят от диаметра трубки, так что на существенное повышение мощности Г 2. со 2 — 6 2 ньт))) здесь рассчитывать не приходится. Охлаждение разряда осуществляется в лазерах такого типа — из-за медленного потока — преимущественно за счет передачи тепла на стенку трубки.
Лазерная трубка в большинстве случаев охлаждается водой. Коммерческие СО,-лазеры этого типа оснащены специальным газовым баллоном в 101 и 140 бар, рассчитанным примерно на 50 часов работы. Протекание газа и отвод отработавшего газа происходит автоматически. Подобные системы успешно используются для обработки материалов в производстве мелких деталей. В медицине чаще находят применение СО,-лазеры в герметичном корпусе, рассчитанные на несколько десятков Вт. Газ ОхлажДаюЩаЯ рубащка Источник накачки Газ 5см Ф Зеркал я=!оо г=!Ом лоское ыхолное еркало 22=20-80% т-зив 1-)о ы Рис. 6.6. Конструкция двухсегментного СО,-лазера с продольной накачкой.
Путем последовательного присоединения слелукицих сегментов можно получить активную длину до 10 метров. (В качестве выходного зеркала используется, например, также Ое-стекло без покрытия, с К = 70 %.) Таблица 6.3. Характеристики СО,-лазеров Энергия а импульсе; импульсная мощность Ллительиость / частота имлульсоа Мощность (си) Тил (лримеиеиие) 50 Вт/м Лазер в герметичном корпусе (Ма, Ме) 50 Вт Волноводный лазер (Мо, Я) кВт С медленным аксиальным потоком (Ма, Ме) 1Лж/1; кВт/м — импульсная генерация (Ма) > мкс/100 Гц — модуляция добротности (Ма) С быстрой прокачкой газа (Ма) 100 ис/1 Гц 100 кВт !ОДж/1; ГВт 100 не/кГц Лазер атмосферного давления с поперечной накачкой (Ма) 1О Дж Газодинамический лазер (Ма, г) 100 кВт Смх лазер атмосферного давления с поперечной на- качкой и волноводный лазер Лазер высокого давления (Б, ()) Ма — обработка материалов, Ме — медицина, Мо — одномодовый лазер, 5 — спектроскопия, г — лазерный термоядерный синтез, 1) — сверхкороткие импульсы.
~~~~! 4 Глава 6. Молекулярные инфракрасныелазеры (иразеры) Лазер в герметичном корпусе (англ. зеа)ед-оЯ-!азег) Для СО,-лазера с меллен ной прокачкой газа требуется подача газа снаружи. Этого неудобства можно избежать при использовании специального герметичного корпуса. При таком конструктивном исполнении продукты диссоциации СО и О, подвергаются химическому преобразованию за счет добавления небольшого количества Н,О, Н, или О,. Далее, немаловажную роль играет материал электродов, причем платина или никель (500 К) при превращении СО в СО, действуют как катализаторы; (6.10) СО*+ ОН вЂ” зСО* л- Н и СО л-Π— >СО. (Звездочка указывает на возбужденные колебательные состояния молекул). Непрерывные разряды в проплавленных разрядных трубках генерируются обычно смесью газов примерно такого состава: 20 % СО„20 % )ч, и 60 % Не при давлении заполнения от 10' до 2,5 10' Па.
Выходная мощность ограничена, во-первых, нагревом газовой смеси, что может привести к термической заселенности нижних лазерных слоев, и, во-вторых, диссоциациями СОг Могут достигаться мощности в непрерывном режиме до 60 Вт/м при работе в течение многих тысяч часов. Лазер такого типа имеет определенные преимущества, в частности, при малой мощности и в волноводном исполнении. Наряду с применением в медицине и в области обработки материалов системы в герметичном корпусе используются также и в спектроскопии. Волноводные лазеры (англ. !лга!ГедиЫе /азег) Для применений с меньшими мощностями в непрерывном режиме предлагаются волноводные СО,-лазеры.
Они содержат капиллярные трубки из ВеО или А1,0, диаметром около 1 мм, которые выполняют функцию диэлектрических волноводов. Приемлемыми считаются здесь и прямоугольные поперечные сечения. В волноводных лазерах излучение отражается на поверхности стенки, образуя стоячие волны примерно такой формы, что характерна для микроволн в полых проводниках. Исполнение в виде волновода позволяет сократить дифракционные потери, которые в стандартных конструкциях с малым поперечным сечением были бы недопустимо велики. При этом предполагается, что диаметр в 1 мм соответствует отрезку в 100 длин волн по 10 мкм.
Аналогичное конструктивное исполнение Не11е-лазера имело бы диаметр 0,06 мм. Возбуждение может осуществляться посредством обычного разряда постоянного тока, причем используется продольный разряд, подобный тому, что показан на рис. 6.6. Иная конструкция и высокочастотное возбуждение примерно с 30 МГц представлены на рис. 6.7.
Здесь ток высокой частоты протекает поперечно лазерному лучу. Это дает преимушество почти стократно уменьшенного напряжения на электродах (напряженности электрического поля при продольном и поперечном разрядах примерно равны). Особые достоинства высокочастотного возбуждения заключаются в том, что при этом удается избежать процессов смешения газов на катоде.
И, кроме того, разряды высокой частоты отличаются замечательной стабильностью. Высокочастотное Металлический возбуждение электрод Керамика Волно 2с ческий Рис. бд. Конструкция волноводного СО,-лазера с высокочастотным возбуждением К ценным качествам волноводных лазеров можно отнести еще и то, что эти типы чрезвычайно компактны и нередко снабжаются герметичным корпусом.
Небольшой диаметр благоприятно сказывается на отводе тепла к стенке, и при мощности в несколько десятков ватт водяного охлаждения не требуется. Волноводный лазер благодаря малому диаметру трубки работает при относительно высоком давлении 2 104 Па, что дает в итоге большую мощность из расчета на объем. Усиление достаточно высокое — 0,04 см '. При длине резонатора в 10 ем достигаются выходные мощности в диапазоне от 1 до 2 Вт.
При более длинных трубках можно получить мощность в несколько десятков ватт. В силу достаточно высокого давления заполнения порядка 2 104 Па достижимо уширение линий до 1 ГГц, что позволяет осуществлять прецизионную настройку в пределах этого диапазона. Подобные лазеры находят применение в сферах ИК-спектроскопии, фотохимии, медицины и измерительной техники.
Лазеры с быстрым газовым потоком Для достижения более высоких мощностей в несколько кВт прибегают к ускоренной прокачке смеси газов через разрядную камеру. Быстрое протекание дает два преимущества. С одной стороны, газ при этом остается холодным, чем обеспечивается невысокая заселенность нижнего лазерного уровня. С другой стороны, происходит отвод продуктов диссоциации, образующихся в разряде. Коммерческие системы такого типа способны достигать 400 Вт/м и более. Аксиальные потоки газа (рис.
6.8а) при скоростях до 300 м/с гарантируют достаточно хорошее качество пучка. Хотя следует отметить, что мощность лазерного излучения из расчета на объем здесь ограничена. При мощности выше 5 кВт более предпочтительно поперечное течение (рис. б.8б), причем возможны несколько меныцие скорости прокачки. Правда, пл азменный столб оптически искажается таким потоком, что, в свою очередь, ухудшает качество пучка. Обе системы рассчитаны на достижение мощности выше 20 кВт.
Подобного рода лазерные системы широко применяются при обработке материалов и термической обработке поверхностей (см. п. 23.2). Промышленные установки такого типа весьма популярны в области высоких технологий с управлением от ВМ. (~6 Г з. м у р фр р р яр ри Разряд а) Теплообмен азор ки б) Лазернмй пучок Теплообменни здукодувка Рис. 6.8.
С02-лазер с (а) продольной н (б) ускоренной поперечной прокачкой газа Лазеры с высокочастотным возбуждением В области обработки материалов с применением СО,-лазеров отмечаются две тенденции развития. Во-первых, здесь успешно используются компактные лазеры в герметичном исполнении (например, лазеры типа азгпр-))пе»). Во-вторых, находят применение высокомощные лазеры с охлаждением аксиальным или поперечным потоком газа. Для достижения высокого качества пучка у обоих типов лазеров возможна генерация посредством напряжения высокой частоты.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
