Неровный В.М. Теория сварочных процессов (841334), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Гелий-неоновый лазер имеет сравнительно небольшую мощность (до 80 мВт), но благодаря простоте Устройства, надежности и стабильности излучения он получил шиРокое распространение для передачи и обработки информации, в контрольно-измерительной и юстировочной технике.
157 В ионных газовых лазерах используются переходы между энергетическими уровнями ионов инертных газов (ксенона, аргона, неона, криптона), а также фосфора, серы и хрома. Типичный представитель этой группы — аргоновый лазер, который по конструкции похож на гелий-неоновый лазер. Газоразрядная трубка наполнена аргоном при давлении порядка 10...100 Па. Мощность лазеров этой группы выше, чем лазеров на атомных переходах. Газовый лазер на аргоне генерирует излучение с длинами волн Х~ = 0,4880 мкм и Х2 = 0,5145 мкм в видимой (сине-зеленой) области спектра с мощностью излучения до 15...50 Вт в непрерывном режиме.
Основные области применения Аг-лазера — медицина, микротсхнология, фотохимия и диагностика методом спектрального анализа. Наибольшие мощность и КПД имеют газоразрядные молекулярные лазеры. Лазер на колебательно-вращательных переходах молекулы СО3 является одним из наиболее распространенных типов современных технологических лазеров. Это связано с его высокой эффективностью, простотой реализации и возможностью достижения больших значений: мощности излучения 5...20 кВт в непрерывном режиме и энергии в одиночном импульсе от 1О до 100 кДж — в импульсном. Молекула СО2 возбуждается электронными ударами в газовом разряде, причем для увеличения мощности к СО3 добавляют молекулярный азот Хз.
Основным каналом заселения верхнего уровня СО3 является резонансная передача колебательной энергии от )Чг. Отношение парциальных давлений С03 и Х~ обычно выбирают от 1:1 до 1;5 при суммарном рабочем давлении = 100 Па. Существенное влияние на энергетические характеристики лазера на С02 — Х2 оказывает введение в разрядную камеру гелия, обладающего теплопроводностью, в несколько раз превышающей теплопроводность СО2 и Х2. Прн введении гелия снижается температура газовой смеси, что способствует увеличению инверсной населенности, а значит, и выходной мощности лазера.
Поэтому технологические газовые лазеры на углекислом газе используют смесь С03 + Хз + Не. Лазеры на углекислом газе имеют весьма высокий КПД (теоретически до 40%, практически 12...30 %). Электрический разряд в лазере на С03 возбуждается в охлаждаемой газоразрядной трубке, выполняемой обычно из стеклянной 158 р д енин в раз 5 8 и Р Рис 39 Схема кение«явного рядной камере 5...8 кПа.
Расход СОз-лазера с поперечной прокачгазовой смеси через разрядную 3 камеру составляет 2 3 м lч для 159 трубы диаметром до 60 мм. (Увеличение диаметра свыше 100 мм не дает эффекта, так как при большом диаметре ухудшается теплопередача из внутренней области трубки к ее периферийной части.) Излучение с длиной волны 10,6 мкм выводится через окно из материала, пропускающего инфракрасные лучи, в качестве которого используются кристаллы КВг, ХаС1, Улбе, ОаАз или Ое.
Для лазера данной схемы с продольной прокачкой с 1 м длины резонатора можно получать мощность не более 50 Вт; приходится значительно увеличивать длину трубы резонатора. В зависимости от способа охлаждения рабочей смеси все газоразрядные лазеры разделяют на лазеры с диффузионным и конвективным охлаждением. Наиболее эффективны лазеры с конвективным охлаждением, в которых отвод теплоты из зоны разряда осуществляется путем замены нагретой порции рабочей газовой смеси новой. В зависимости от взаимной ориентации скорости потока газовой смеси и разряда различают лазеры с продольной и поперечной прокачкой; в последнем случае прокачка газовой смеси осуществляется в направлении, перпендикулярном направлению электрического разряда. Большие мощности излучения получают в технологических быстропроточных лазерах с поперечной прокачкой газовой смеси.
Схема такого лазера мощностью до 1О кВт приведена на рис. 3.9. В этой разновидности газового лазера используют интенсивную прокачку газа через резонатор 3 с охлаждением его в теплооб- 3 Излучение меннике 4. Электрический разряд возбуждается между анодной плитой 2 и секционированным уУ катодом !. В качестве рабочего ° Дэ 4 газа используют смесь СО3 3 + )ч)3 + Не в соотношении 1:6:13 п и статическом авл подачи смеси используется мощная насосная система. В лазере этого 3 типа можно получить мощность до 16 Вт с ! см газа при КПД до 17 %. Электроразрядные лазеры с поперечной прокачкой газа работают в непрерывном режиме генерации и могут развивать мощ- ность излучения до 50 кВт.
Полупроводниковый лазер генерирует когерентное излучение в результате процессов, происходящих в Излучение р-и-переходе на полупроводниковом материале. На рис. 3.10 показана схема полупроводникового лазера Рис. 3.10. Схема полупровод- на арсеннде галлия ОаАз. Кристалл пикового лазера имеет размеры 0,5...1 мм . Его 2 верхняя часть 2 представляет собой полупроводник р-типа, нижняя часть 1 — полупроводник п-типа, между ними имеется р-и-переход 4 толщиной около 0,1 мкм.
Излучающий слой имеет несколько большую толщину (1...2 мкм) вследствие проникания электронов и дырок в глубь кристалла. Выводы 3, 5 служат для подачи питающего напряжения, один из них может выполнять функцию теплоотвода. При подаче напряжения на выводы р — и-переход генерирует излучение, длины волн которого для арсенида галлия составляют: ) 1 = 0,82 мкм и Хз = 0,9 мкм (инфракрасная область). Для других материалов длина волны излучения может находиться в широком диапазоне — от ультрафиолетовой до инфракрасной области. Для улучшения условий работы полупроводникового лазера и обеспечения непрерывного режима генерации необходимо охлаждать кристалл до низких температур. Мощность лазера на арсениде галлия при температуре жидкого азота в импульсно-периодическом режиме составляет 100 Вт, в непрерывном режиме — 1О Вт.
Некоторые полупроводниковые лазеры могут работать при нормальных температурах. Небольшие геометрические размеры и простота конструкции полупроводниковых лазеров позволяют собирать решетки или линейки из большого числа отдельных лазеров. Такие решетки могут иметь мощность непрерывного излучения 10...100 Вт. Полупроводниковые (диодные) лазеры в основном применяют для оптической накачки твердотельных технологических лазеров. В начале ХХ1 в.
были разработаны оптоволоконные лазеры высокой (1...20 кВт) мощности с длиной волны излучения 1,06 мкм. Благодаря малым размерам, высокому (более 15 %) полному КПД, надежности, длительной работе без профилактического ремонта н другим преимуществам они могут быть использованы в тех случаях, когда кроме высокой мощности и гибкости передачи излучения требуется мобильность самого лазерного источника. Основ- ными преимуществами оптоволоконных лазеров по сравнению с диодными являются излучение с одной длиной волны и отдельное расположение диодов накачки.
Последнее важно с позиции надежности, поскольку охлаждение отдельных диодов намного эффективнее, чем торцов диодов, набранных в линейки. 3.2.4. Взаимодействие лазерного излучения с веществом Падающий на поверхность вещества световой пучок частично поглощается, а частично отражается. Из оптики известно, что доля энергии отраженного излучения зависит от длины световой волны и состояния поверхности вещества. В табл. 3.2 представлены значения коэффициентов отражения световых волн от чистых, не окисленных полированных поверхностей металлов (при полном отражении этот коэффициент равен единице).
Приведенные в табл. 3.2 данные свидетельствуют о том, что значительная доля светового потока отражается от чистой поверхности. Таблица 3.2. Коэффициенты отражения волн, генерируемых различными лазерами, от металлических поверхностей Для реальных поверхностей„покрытых оксидами и имеющих худшую чистоту обработки, значение коэффициента отражения Уменьшается. С ростом температуры вещества на его поверхности стимулируется образование оксидов н других соединений, котоРые также увеличивают поглощение.
Подача в зону обработки кислорода или других газов интенсифицирует этот процесс. В результате можно добиться того, что 20...40 % энергии светового пучка будет поглощено веществом. 160 161 Еще болыпего поглощения энергии лазерного излучения можно добиться при нанесении на поверхность веществ с малыми коэффициентами отражения (например, газовой сажи, краски, водо- растворимых полимерных покрытий), но в этом случае возможно взаимодействие нанесенного вещества с основным материалом, что не всегда допустимо.
Поглощенное веществом лазерное излучение передает свою энергию электронам вещества, в связи с чем глубина проникания световой энергии в вещество соответствует средней длине свободного пробега электрона, составляющей 5...50 нм для большинства распространенных веществ. Дальнейшая передача энергии из этой зоны в глубь вещества осуществляется вследствие теплопроводности. В отличие от электронного луча энергия лазерного излучения при взаимодействии с веществом в основном превращается в теплоту, а доля возникающего при этом рентгеновского излучения пренебрежимо мала. Лазерное излучение относительно небольшой интенсивности может произвести лишь весьма ограниченные изменения поверхности вещества: экспозицию специальных светочувствительных материалов или выцветание некоторых красок.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
