Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники (1990) (1151950), страница 68
Текст из файла (страница 68)
Малая угловая расходимость, обусловленная высокой когерентностью лазерного излучения, дает возможность получить световой зонд малого диаметра, который может быть сформирован с помощью простых оптических систем. Высокая монохроматичность и малая пшрина спектра лазерного излучения значительно ЗОО упрощают количественную интерпретацию получаемой информации, При использовании мощных лазеров для решения технологических задач малая угловая расходимость луча позволяет с помощью оптических систем получать большие плотвости мощности, достаточные для плавления н испарения обрабатываемых материалов. Лазер является специфическим источником излучения, и эту специфику необходимо учитывать при проведении энергетических расчетов в расчетов на точность отдельных узлов и всего прибора в целом. Так, лазер нельзя принимать как излучающую точку с параллельным распространением лучей.
Необходимо учитывать конфигурацию резонатора и расстояние до толки наблюдения, а кроме того — модовый состав н состояние поляризации излучения. Лазерному ижлучению присуще неравномерное распределение интенсивности по сечению луча и по иацравлениям, что также необходимо учитывать при энергетических и точностных расчетах.
.энергетические параметры излучения лазера определяют чувствительность прибора. Мощность и энергия излучения учитываются при выборе оптической системы, поскольку при значениях этих параметров выше преде,тьных могут быть необратимые новреждения ее элементов. С энергетическими параметрами тесно связаны фотометрические величины, которые при лазерном источнике излучения имеют несколько иное представление. Поскольку у лазера совсем иная природа излучения, чем у теплового излучателя, по отношению к лазеру не могут быть црименеиы законы теплового излучения (Кирхгофа, Стефана — Вольцмана, Вина— Голицииа) из-за того, что излучение у лазера возникает з некотором объеме, определяемом резонатором и активным элементом.
Существует многомодовая структура излучения со сложным распределением интенсивности в поперечном сечении луча. Угловая расходимость луча вдоль направления расбространения имеет гиперболический закон в силу сложных дифракционных эффектов. В энергетических расчетах оперируют при использовании лазера обычными энергетическими величинами, из которых наиболее часто употребляются представления лучистого потока и энергетической яркости. Если излучение лазера происходит иа основной моде ТЕМеь то распределение лучистого потока в по. перечном сечении описывается формулой Ф =- Фл)1 — е'<'гпп) где г — радиус некоторого сечения, в пределах которого происходит измерение лучистого потока; ъг — размер пятна моды; Ф, — полный поток излучения лазера, измеренный при г з, 1Л, Излучение лазера ие подчиняется закону Ламберта, и энергетическую яркость нельзя определить, пользуясь известным законом. Фронт волны излучения лазера при любой геометрии реЗо! зонатора в первом приближении остается сферическим и ему соответствует некоторый эквивалентный точечный источник — центр кривизны фронта.
Пространственно - вре- менные характеристики изрек. $3. К Геометркк луча лааср, асколь- лучеиия аусмав прп расчете оаткческкх систем в рам- лают расирсдслаине интеи ° ках молелк гауссова пучка сивности н фазу колеба- ния. Распределение интенсивности в поперечном сечении луча характеризует размер и форму пятна, а по направлениям — расходнмость луча и диаграмму направленности излучения. Распределение фазы характеризует форму фронта волны излучения. При цилиндрической симметрии резонатора лазера распределение интенсивности в основной моде излучения описывается функцией Гаусса: кс' е Е Е «~ е, гюе ' — нм — е' — кгс 1 — — е- Здесь Е, — значение компоненты поля при г = х — 0; г — продольная координата; г — радиальная координата; 4, и д — диаметр пятна, равный расстоянию от оси пучка до точки, где интенсивность в сечении основной моды падает в е' раз (амплитуда в е раз) при г = 0 и г чь О соответственно; л — постоянная рас.
пространення; )с — радиус кривизны волнового фронта для г= О. Величина ~р агс1п (гЯк), где Яе — конфокальный параметр резонатора, значение которого будет описано ниже. Нз рис. 13.1 схематично показаны пространственные параметры луча лазера, которыми пользуются при расчете оптических систем в рамках модели гауссова пучка. Положение плоскости перетяжки и размер пятна основной моды в этой плоскости определяются геометрией резонатора и легко находятся при использовании понятия об эквивалентном конфокальном резонаторе, поле которого совпадает с полем реального резонатора.
Так, размер пятна бе равен «е = ) Ъ)с,/(2п), где Х вЂ” длина волны излучения; 1са — конфокальный параметр резонатора. Параметр )с, можно найти, используя формулу Я, — 2Е ) г атак (1 — дтак) Йдт+ йе — 2д~дк). (13.1) Здесь Š— длина резонатора; д, = ! — (.Я,; яе = 1 — ЫР„ где Я, и Як — радиусы кривизны зеркал резонатора.
При многомодовом режиме излучения (при известном числе мод) размер пятна Зол в плоскости перетяжки может быть найден путем умножения иа коэффициент моды. Размер пятна на расстоянии з от плоскости перетяжки для мод высшего порядка равен б, =й „к'1+Ьз, где д „вЂ” размер пятна в плоскости перетяжки моды ТЕМ „. Ь вЂ” 2з/К., — относительная координата сечения. Форма фронта волны одинакова для мод всех порядков. В плоскости перетяжки фронт волнЫ плоский, а вдоль координаты г— сферический с радиусом К = ~(1 — Ь')/2Ь ! К,. Распределение плотности излучения описывается выражением д (г) д,е-м~/Ф где пз — максимальная плотность потока.
Распределение плотности для колебаний высших порядков имеет более сложный характер с периодическим чередованием экстремумов. В этом случае под величиной й понимают расстояние от оси пучка до наиболее удаленной точки, где интенсивность в сечении падает в е' раз по сравнению с максимальным значением. С увеличением радиального индекса моды размер пятна увеличиваезся. Прн этом имеются табулированные значения коэффициентов моды, иа которые следует умножать размер пятна основной моды, чтобы получить размер пятна мод более высоких порядков.
Угловую расходимость пучка лазера для основной моды в одну сторону от оси луча по уровню снижения интенсивности в е' раз от максимального значения определяют по формуле Оз =~Г2Л)(пК~) = Х/(п4). (13,2) Для любого уровня снижения интенсивности от оси луча по.
лучим е = е,го,5шз,~д). Моды высших порядков имеют большие углы расходимости в соответствии с увеличением размера пятна. Выше отмечалось, что расходимость луча вдоль направления оси з подчиняется гиперболическому закону вследствие сложных дифракционных эффектов. В ближней зоне от резонатора (зоне Френеля) за счет разных путей распространения света вроисходит набег фазы между различными лучами, что приводит к непрерывному увеличению расходимости луча в целом.
В дальней зоне резонатора (зоне Фраунгофера) набег фазы отсутствует, и расходимость луча остается постоянной. Это выполняется при условии, когда а ~) В'/Х, где 0 — диаметр апертуры зеркала резонатора. В отличие ст модели гауссова пучка иногда для расчета оптических систем используют лучевую модель в виде выходного аеркала резонатора, представляющую собой систему излучающих 303 тачек, из которых имеет место прямолинейное распространение света. Л!адель гауссова пучка более цално представляет реальный луч лазера, поскольку в этом случае опИсывается не талька форма фронта волны, но также и распределение интенсивности по сечению луча. Однако аналитические выражения при этой модели получаются значительно сложнее, чем при лучевой модели.
При использовании модели гауссова пучка двойной угол расходимости луча можно характеризовать нормированной толщиной образца и в отличие от выражения (!3.2) для основной моды его можно представить в аиде 20,=-2 ),' (13,3) где д — толщина контролируемого образца; б — фазовая толщина. Поскольку в измерительных приборах применяют в основном газовые лазеры, для которых величина К„определяется по формуле 1!3,1) и составляет Я.„ж 50 —;1000 мкм, из формулы !13.3) следует, что с увеличением угловой расходимости луча происходит также ухудшение характеристик точности измерительного прибора.
Частотно-временные параметры характеризуют спектр и распределение интенсивности излучения лазера во времени. При практическом использовании лазеров в приборах иногда необходимо знать ширину отдельной линии в спектре, ширину всего спектра, расстояние между отдельными линиями, которые определяют спектр биений. От значений этих параметров зависит степень сложности количественной интерпретации получаемой информации. При адночастотнам режиме в спектре излучения имеется всего лишь одна спектральная линия, и для идеально стабилизированного резонатора ширина этой линии близка к нулю. Такое излучение характерно для газовых и твердотельных лазеров.
Использование подобных лазеров в приборах дает дополнительные преимушества по сравнению с использованием обычных лазеров. Длина волны излучения, режим работы также играют существенную роль при практическом применении лазера в качестве источника излучения. При этом также необходимо обращать внимание на его эксплуатационные характеристики: коэффициент полезного действия, потребляемую мощность, рабочую температуру, время готовности к работе, время непрерывной рабаты, ресурс работы, габаритные размеры и массу, надежность и удобство эксплуатации.
Изложенное выше говорит о специфических особенностях лазерного излучения, которые необходимо учитывать при расчетах и конструировании приборов, где лазер используется в качестве источника света. 1Ззь ПРименение лАзеРОВ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ В технологии обработки материалов находят применение газовые и твердотельные лазеры, Применение основано на возможности создания с помощью оптических систем болыпих плотностей мощности иа поверхности обрабатываемого материала. Плотность мощности в диапазоне 10" — !Оы Вт/см' оказывается достаточной для проведения таких технологических операций, как сварка, резка, пробивка отверстий, термическая обработка поверхности. Отечественная и зарубежная промышленности выпускают лазерные установки на основе твердотельных лазеров импульсного и непрерывного действия для пробивки отверстий различного диаметра в алмазных волокнах, стекле, кристаллах, рубиновых камнях, металлах, керамике, ситалле, полупроводниках, На лазерных установках возможно скрайбирование кремниевых и гермаииевых пластин при создании элементов микроэлектроники.
В ряде случаев производится микросварка элементов полупроводниковых приборов, микросхем и даже материалов, сваривапие которых невозможно другими способами. Осуществляется сварка металла со стеклом, металла с керамикой, разнородных металлических элементов. Сварку ведут в труднодоступных местах, куда невозможно проникнуть обычным инструментам, а с помощью оптических систем можно легка подвести лазерный луч к свариваемому месту. Сварку, резку, термическую обработку, пробивку отверстий можно производить в вакууме или в среде инертных газов, если это предусмотрено технологическим процессом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
