УП ФОИЭС (841336), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Прохоров предложилиметод трех уровней, в котором для получения инверсии заселенности уровней используется некоторое вспомогательное излучение (оптическая подкачка).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 зеркал по схеме, изображенной на рис.3.5. Зеркало 1 отражаетвсю падающую на него энергию, а зеркало 2 является полупрозрачным. Часть энергии оно пропускает из рабочего пространства наружу (полезная энергия), a 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 полупрозрачногозеркала.
Чем меньше этот коэффициент, тем больше должно быть пороговое усиление, обеспечиваемое рабочим веществом, иначе генерируемое рабочим веществомизлучение затухнет.109Выполнение этих условий позволяетсоздавать систему, способную генерировать когерентное световое излучение.Такая система получила название оптического квантового генератора (ОКГ) илилазера. Таким образом, лазер - это геРис. 3.5. Схема генерации излучения в нератор пучка электромагнитных волнтвердотельном лазереинфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапазонов. В отличие от излучениятрадиционных световых источников, лазерное излучение обладает высокой когерентностью, малой угловой расходимостью, высокой монохроматичностью и большоймощностью.
Работа этого генератора основана на принципе усиления вынужденногоизлучения.3.2.3. Основные характеристики лазеровЛюбой 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 населенности, т.е.
распределение частицпо 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.3. Оптический резонатор, который служит для осуществления взаимодействияизлучения 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:- оптическая накачка в результате облучения активной среды мощным световым потоком;- электрическая накачка, осуществляемая при прохождении через активнуюсреду 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 находятдва типа технологических лазеров: твердотельные и газовые.В твердотельных лазерах рабочим ансамблем частиц являются примесныеатомы, введенные в сравнительно небольших количествах в основную матрицу твер-110дого тела, которая может быть как кристаллической, так и аморфной.
Например, рубин представляет собой корунд (Al2O3), в кристаллической решетке которого частьатомов алюминия замещена атомами хрома, или стекло, являющееся аморфным телом, с примесью неодима. Неодим может быть также введен в кристаллическийалюмоиттриевый гранат (Y3Al5O12- Nd3+). Эти кристаллы упрощенно обозначаютNd:YAG (или Nd: АИГ).Схема твердотельного лазераприведена на рис. 3.6 а. Стержень 1,изготовленный из рабочего вещества,помещается между двумя зеркалами.Зеркало 2 полностью отражает всепадающие на него лучи, а зеркало 3полупрозрачно.
Для накачки энергиииспользуется газоразрядная лампавспышка 4, которая для большей эффективности облучения кристаллапомещается вместе с ним внутрь отражающего кожуха 5, выполненного вРис. 3.6. Схема твердотельного лазерас ламповой накачкой: а – общий вид;виде эллиптического цилиндраб – поперечное сечение отражателя(рис.
3.6 б). При размещении лампы и кристалла в фокусах эллипса создаются наилучшие условия равномерного освещения кристалла. Питание лампы обычно осуществляется от специальной высоковольтной батареи конденсаторов 6.Наибольшее распространение среди технологических твердотельных лазеровполучили лазерына кристаллах Nd:YAG с выходной мощностью излучения,достигающей в режиме непрерывной генерации 0,5…3,0 кВт и выше.Электрооптический КПД твердотельных лазеров с использованием ламповой накачкиактивных элементов составляет 1…3 %. Эти лазеры генерируют излучение на длиневолны 1,06 мкм, что дает возможность применять для его фокусировки линзы изпростого стекла.Весьма перспективны так называемые твердотельные лазеры с диоднойнакачкой.
Конструкция такого лазера становится более компактной и надежной вэксплуатации, обеспечивает высокий ресурс работы и более высокийэлектрооптический КПД (до 6 % и выше). По сравнению с обычной ламповойнакачкой диодная накачка обеспечивает более полный контроль излучения накачки.Оптическое возбуждение осуществляется диодными лазерными модулями 4,расположенными вокруг стержня из кристаллов Nd:YAG (рис. 3.7). Резонатор помещен соосно со стержнем лазера 1 и состоит из зеркала с высоким отражением 6и зеркалом 3 для вывода лазерного луча с частичным отражением.
Если активныеэлементы с диодной накачкой располагать последовательно по одной оси, то можнодостичь мощности излучения до 1…4 кВт в непрерывном режиме. Лазерный лучможно выводить 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 вслед-111ствие эффектов, связанных с прохождением электрического тока через газ (газоразрядная накачка).
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 трибольшие группы: лазеры на нейтральныхатомах, ионные и молекулярные лазеры.К первой группе относится гелийнеоновый лазер, схема которого приведена на рис. 3.8.Рис. 3.7. Схема принципа работытвердотельного лазера с диодной накачкой: 1 – стержень N d : Y A G лазера; 2 –лазерный луч; 3 – зеркало для выводаРис. 3.8. Схема газового (гелийлазерного луча; 4 – диодные решентки;неонового)лазера5 – коллимирующая оптика; 6 – зеркалос высоким отражением; 7 – подвод охлаждения; 8 – подвод питанияГенерация когерентного излучения может проходить в видимой ( λ1 = 0,633 мкм)и в инфракрасной области ( λ 2 = 1,15 мкм, λ 3 = 3,39 мкм).
Газоразрядная трубка этоголазера заполняется гелием и неоном при парциальных давлениях соответственно130 и 10 Па. В трубке от высоковольтного источника питания 2 создается электрический разряд 3, который возбуждает атомы гелия и неона в результате электронныхударов. Излучение выходит из полупрозрачного зеркала 4. Гелий-неоновый лазеримеет сравнительно небольшую мощность до 80 мВт, но благодаря простоте устройства, надежности и стабильности излучения он получил широкое распространениедля передачи и обработки информации, в контрольно-измерительной и юстировочной технике.В ионных газовых лазерах используются переходы между энергетическимиуровнями ионов благородных газов (ксенон, аргон, неон, криптон), а также фосфора,серы и хрома. Типичный представитель этой группы — аргоновый лазер, который поконструкции похож на гелий-неоновый лазер.
Газоразрядная трубка наполнена аргоном при давлении порядка 10…100 Па. Мощность лазеров этой группы выше, чемлазеров на атомных переходах.Газовый лазер на аргоне генерирует излучение с длинами волн λ1 = 0,4880мкм и λ 2 =0,5145 мкм в видимой сине-зеленой части спектра с мощностью излучениядо 15…50 Вт в непрерывном режиме. Основные области применения Ar-лазера в медицине, микротехнологии, фотохимии и для диагностики методом спектрального анализа.Наибольшую мощность и КПД имеют газоразрядные молекулярные лазеры.Лазер на колебательно-вращательных переходах молекулы СО2 является одним изнаиболее распространенных типов современных технологических лазеров. Это связано с его высокой эффективностью, простотой реализации и возможностью дости-112жения большой мощности излучения, достигающей 5…20 кВт в непрерывном режимеи до 10…100 кДж – в импульсном.Молекула С02 возбуждается электронными ударами в газовом разряде, причемдля увеличения мощности к С02 добавляют молекулярный азот N 2 .
Основным каналом заселения верхнего уровня С02 является резонансная передача колебательнойэнергии от N2. Отношение парциальных давлений СО 2 и N2 обычно выбирается впределах 1:1-1:5 при суммарном рабочем давлении в несколько сотен паскалей.Существенное влияние на энергетические характеристики лазера на СО 2 -N2оказывает введение в разрядную камеру гелия. Гелий, обладая теплопроводностью,в несколько раз превышающей теплопроводность СО 2 и N2. При введении гелияснижается температура газовой смеси, что способствует увеличению инверснойнаселенности, а значит, и выходной мощности лазера.
Поэтому технологические газовые лазеры на углекислом газе используют смесь С0 2 + N 2 + Не. Лазеры на углекислом газе имеют весьма высокий КПД (теоретически — до 40%, практически12…30%).Электрический разряд в лазере на CO 2 возбуждается в охлаждаемой газоразрядной трубке, выполняемой обычно из стеклянной трубы диаметром до 60 мм. Увеличение диаметра трубы свыше 100 мм не дает эффекта, так как при большом диаметре ухудшается теплопередача из внутренней области трубки к ее периферийнойчасти. Излучение с длиной волны 10,6 мкм выводится через окно из материала, пропускающего инфракрасные лучи.
Для этой цели используются кристаллы КВr, NaCl,ZnSe, GaAs или Ge. Для лазера данной схемы с продольной прокачкой с 1 м длинырезонатора можно снимать мощность не более 50 Вт; приходится значительно увеличивать длину трубы резонатора. В зависимости от способа охлаждения рабочейсмеси все газоразрядные лазеры разделяют на лазеры с диффузионным и конвективным охлаждением.Наиболее эффективны лазеры с конвективным охлаждением, в которых отводтеплоты из зоны разряда осуществляется путем замены нагретой порции рабочейгазовой 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 быстропроточныхлазерах с поперечной прокачкой газовой смеси. Схема такого лазера мощностью до10 кВт приведена на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
