Неровный В.М. Теория сварочных процессов (841334), страница 29

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 29)

Нагрев переводит часть атомов в возбужденное состояние, и при переходе в нижние состояния они излучают кванты света. Излучение разных атомов происходит независимо друг от друга и носит статистический характер. Фотоны хаотиче- ки испускаются атомами в виде так называемых волновых цугов, которые не согласованы друг с другом во времени, имеют различную фазу и случайный характер направления распространения. Поэтому спонтанное излучение некогерентно и ненаправленно. Кроме спонтанного излучения возбужденного атома существует вынужденное излучение, когда атомы начинают излучать энергию под действием внешнего электромагнитного поля.

Явление вынужденного излучения дает возможность управлять излучением атомов с помощью электромагнитного поля и таким путем усиливать или генерировать когерентное световое излучение. Чтобы это осуществить практически, нужно выполнить следующие условия 1. Необходимо обеспечить резонанс — совпадение частоты падающего света с одной нз частот ч „энергетического спектра атома. При этом переход атома с уровня ев на уровень а будет соответствовать переходу между аналогичными уровнями других таких же атомов, в результате чего будет осуществлена генерация когерентного излучения. 2.

Наряду с вынужденным излучением света атомами, находящимися на верхнем уровне е„, происходит резонансное погло- щение энергии атомами, находящимися на нижнем уровне е„,. При этом атом поглощает световой квант и переходит на уровень е„„что препятствует генерации света. Для генерации когерентного света необходимо, чтобы число атомов на верхнем уровне ев было больше числа атомов на нижнем уровне а (а„, а — уровни, между которыми происходит переход). В естественных условиях на более высоком уровне при любой температуре всегда меньше частиц, чем на более низком. Для возбуждения когерентного излучения надо принять специальные меры, чтобы из двух выбранных уровней верхний был «заселен» больше, чем нижний.

Такое состояние вещества в физике называется активным или состоянием с инверсной (обращенной) населенностью. Н.Г, Басов и А.М. Прохоров предложили метод трех уровней, в котором для получения Инверсии заселенности уровней используется некоторое вспомогательное излучение (накачка).

3. В процессе генерации излучения часть излучаемой световой энергии должна все время оставаться внутри рабочего вещества, вызывая вынужденное излучение все новых порций атомов, т. е. осуществляя обратную связь. Это обычно выполняется при помощи 152 153 ие Световая энергия накачки Рис. 3.5. Схема генерации излучения а твердотельном лазере зеркал по схеме, изображенной на рис.

3.5. Зеркало 1 отражает всю падающую на него энергию, а зеркало 2 является полупрозрачным. Часть энергии оно пропускает из рабочего пространства наружу (полезная энергия), а отраженная энергия служит для вовлечения в генерацию новых порций рабочего вещества. 4. Усиление, обеспечиваемое рабочим веществом, должно превышать некоторое пороговое значение, зависящее от коэффициента отражения полупрозрачного зеркала.

Чем меньше этот коэффициент, тем больше должно быть пороговое усиление, обеспечиваемое рабочим веществом, иначе генерируемое рабочим веществом излучение затухнет. Выполнение этих условий позволяет создать систему, способную генерировать когерентное световое излучение. Такая система получила название оптического квантового генератора (ОКГ), или лазера. Таким образом, лазер — это генератор пучка электромагнитных волн инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапазонов. В отличие от излучения традиционных световых источников лазерное излучение обладает высокой когерентностью, малой угловой расходимостью, высокой монохроматичностью и большой мощностью. Работа этого генератора основана на принципе усиления вынужденного излучения. 3.2.3.

Основные характеристики лазеров Любой лазер независимо от конструктивного выполнения и схемы других конкретных особенностей имеет следующие основные элементы: 1) рабочее тело — активную среду, состоящую из ансамбля атомов или молекул, для которых может быть создана инверсия населенностей, т. е. распределение частиц по энергиям, несвойственное их термодинамическому равновесию; 2) устройство, обеспечивающее какое-либо физическое воздействие на активную среду, позволяющее осуществить инверсию населенностей,или, как принято говорить, накачку, которая может быть основана на различных физических явлениях; !54 3) оптический резонатор, который служит для осуществления взаимодействия излучения с активной средой и в котором происходит отбор энергии от ансамбля генерирующих излучение частиц; 4) устройство, обеспечивающее вывод лазерной энергии из резонатора и осуществляющее ее локализацию и доставку к месту назначения; 5) различные специальные системы, связанные с конкретным применением лазера.

По агрегатному состоянию активной среды лазеры делят на твердотельные, газовые, жидкостные и полупроводниковые. По накачке энергией активной среды лазеры делят на ряд разновидностей, использующих различные виды энергии. Различают следующие виды накачки: — оптическая (ламповая, диодная) накачка в результате облучения активной среды мощным световым пучком; — электрическая накачка, осуществляемая при прохождении через активную среду электрического тока; — химическая накачка, когда инверсия возникает вследствие химической реакции, в которой принимает участие активная среда. В зависимости от режима работы различают лазеры, работающие в непрерывном и импульсно-периодическом режимах.

Для лазерной сварки, наплавки и резки наиболее широкое применение находят два типа технологических лазеров: твердотельные и газовые. В твердотельных лазерах рабочим ансамблем частиц являются примесные атомы, введенные в сравнительно небольших количествах в основную матрицу твердого тела, которая может быть как кристаллической, так и аморфной. Например, рубин представляет собой корунд А1303, в кристаллической решетке которого часть атомов алюминия замещена атомами хрома, или стекло, являющееся аморфным телом, с примесью неодима.

Неодим может быть также введен в кристаллический алюмоиттриевый гра- 3+ нат (УЗА!50!2.1чо ). Эти кристаллы обозначают Хд:УАО или %1:АИГ. Схема твердотельного лазера приведена на рис. 3.6, а. Стержень 1, изготовленный из рабочего вещества, помещается между двумя зеркалами. Зеркало 2 полностью отражает все падающие на него лучи, а зеркало 3 полупрозрачно, Для накачки энергии используется газоразрядная лампа-вспышка 4, которая для большей эффективности облучения кристалла помещается вместе с ним !55 г1 внутрь отражающего кожуха 5, выполненного в виде эллиптического цилиндра (рис. 3.6, б). При 3 размещении лампы и кристалла в фокусах эллипса создаются наилучшие условия равномерного освещения кристалла.

Питание 4 5 лампы обычно осуществляется от 1 специальной высоковольтной ба- тареи конденсаторов б. б Наибольшее распространение среди технологических твердо- 4 тельных лазеров получили лазеры Рис. 3.6. Схема твердотельного на кристаллах Хд:УАО с вылазера с ламповой накачкой: ходной мощностью излучения, а — общий иид; б — поперечное сече- достигающей в режиме непреиие отражателя рывной генерации 0,5...3 кВт и выше. Электрооптический КПД твердотельных лазеров с использованием ламповой накачки активных элементов составляет 1...3 %. Эти лазеры генерируют излучение длиной волны 1,06 мкм, что дает возможность применять для его фокусировки линзы из простого стекла. Весьма перспективны так называемые твердотельные лазеры с диодной накачкой.

Конструкция такого лазера является более компактной и надежной в эксплуатации, обеспечивает высокий ресурс работы и более высокий электрооптический КПД (до 6 % и выше). По сравнению с обычной ламповой накачкой диодная обеспечивает более полный контроль процесса накачки. Оптическое возбуждение осуществляется диодными лазерными модулями 4, расположенными вокруг стержня из кристаллов Хс1:УАО (рис. 3.7). Резонатор помещен соосно со стержнем лазера 1 и состоит из зеркала с высоким отражением б и зеркалом 3 для вывода лазерного луча с частичным отражением. Если активные элементы с диодной накачкой располагать последовательно по одной оси, то можно достичь мощности излучения до 1...4 кВт в непрерывном режиме.

Лазерный луч выводят по одному или нескольким волоконным световодам. В газовых лазерах в качестве активной среды используют газообразные вещества, причем накачка энергии в этих веществах, как правило, осуществляется вследствие эффектов, связанных с прохождением электрического тока через газ (газоразрядная накачка).

!56 Рис. 3.7. Схема твердотельного лазера с диодной накачкой: 1 — стержень гЫ:УАС лазера; 2 — лазерный луч; 3 — зеркапо ддя вывода лазерного луча; 4 — диодные модули (решетки); 5 — коллимирующяя оптика; б — зеркало е высоким отражением; 7 — подвод охлаждения; 8 — подвод питания В качестве активной среды в этих лазерах используют аргон, неон, криптон, ксенон, смеси гелия и неона, углекислый газ с примесью азота и гелия. Газовые лазеры подразделяют на три большие группы: лазеры на нейтральных Рис. 3.8.

Схема газового (гелий- атомах, ионные и молекулярные неонового)лазера лазеры. К первой группе относится гелий-неоновый лазер, схема которого приведена на рис. 3.8. Генерация когерентного излучения может проходить в видимой (Х! — — 0,633 мкм) и в инфракрасной областях (12= 1,!5 мкм, Аз = 3,39 мкм). Газоразрядная трубка 1 этого лазера заполняется гелием и неоном при парциальных давлениях соответственно 130 и 10 Па. В трубке от высоковольтного источника питания 2 создается электрический разряд 3, который возбуждает атомы гелия и неона в результате электронных ударов. Излучение выходит из полупрозрачного зеркала 4.

Характеристики

Список файлов книги