Схемы и конструкции технологических лазеров. Принцип действия газоразрядных лазеров

Наиболее широкое промышленное применение получили в основном два класса технологических лазеров: газоразрядные С02-лазеры с диффузионным или с конвективным охлаждением рабочей смеси и лазеры с оптической накачкой на твердых кристаллах.

Технологические лазеры этих классов в наибольшей степени удовлетворяют требованиям, предъявляемым при осуществлении лазерной обработки, и условиям промышленной эксплуатации прежде всего по уровню мощности излучения, оптическому качеству лазерного пучка, ресурсу работы, а также экономичности изготовления и эксплуатации лазеров.

В настоящее время для проведения технологических процессов все более широкое применение находят диодные и волоконные лазеры.

Промышленные технологические лазеры включают в свой состав следующие узлы (системы).

1. Активный элемент, предназначенный для обеспечения процесса генерации инверсно-заселенной рабочей средой.

2. Источник электропитания активного элемента.

3. Система охлаждения, гарантирующая большой ресурс работы лазера; она должна обеспечивать оптимальную температуру активной среды и достаточно низкую температуру узлов конструкции технологических лазеров.

4. Оптический резонатор с устройством вывода излучения, обеспечивающий высокие значения энергетической эффективности генерации излучения и оптического качества лазерного пучка.

5. Система передачи и фокусировки излучения.

6. Система автоматического управления технологического лазера; она является подсистемой системы управления автоматизированного лазерного технологического комплекса и предназначена для обеспечения автоматического вывода технологического лазера на заданный режим генерации излучения, безаварийности и безопасности функционирования технологических лазеров, активной стабилизации параметров лазерного излучения и внутренних технологических параметров лазера, управления изменением мощности лазерного излучения во времени, необходимым для проведения процесса лазерной обработки изделий в автоматизированном технологическом комплексе.

Технологический лазер может быть исполнен как в виде моноблока с использованием всех перечисленных выше узлов, так и в виде отдельного блока генерации излучения (включающего в себя активный элемент, оптический резонатор и систему охлаждения) и различных агрегатных блоков, блоков питания и управления.

Требования к промышленным технологическим лазерам. Особенность лазерного оборудования состоит в том, что технологический лазер должен удовлетворять, во-первых, общим требованиям, предъявляемым к любому промышленному технологическому оборудованию, а во-вторых, специфическим требованиям, предъявляемым при проведении конкретного лазерного технологического процесса.

Промышленные технологические лазеры должны обеспечивать следующие требования.

1. Необходимый уровень мощности, качество и стабильность излучения (табл. 1.1).

2. Минимальная стоимость 1 кВт энергии излучения.

3. Полный ресурс работы не менее 104 ч при не менее 90 %-ном времени работы оборудования с генерацией и использованием лазерного излучения.

4. Автоматическое управление мощностью и пространственным положением пучка, а также основными внутренними параметрами.

Санитарно-гигиеническая и экологическая безопасность эксплуатации.

Принцип действия газоразрядных С02-лазеров. Газоразрядные С02-лазеры являются наиболее ярким представителем семейства так называемых молекулярных лазеров, инверсная заселенность в которых создается между колебательными уровнями молекул. С02-лазеры имеют наибольший КПД преобразования электрической энергии в энергию излучения.

Это их свойство совместно с простотой в эксплуатации при высоких мощностях как в импульсном, так и в непрерывном режимах обусловило широкое применение С02-лазеров для обработки материалов. Впервые генерация на молекуле С02 была получена в 1964 г. С. Пателом; он же предложил объяснение механизма получения инверсной заселенности.

Молекула С02 состоит из атома углерода и двух симметрично расположенных атомов кислорода, т. е. имеет линейную структуру О—С—О. Как видно из рис. 1.6, атомы кислорода могут совершать симметричные (мода ) и несимметричные (мода 00v3) колебания относительно атома углерода вдоль направления О—С—О, а также поперечные этому направлению так называемые деформационные колебания (мода 0v20). С учетом колебательного момента количества движения L уровень v2 обозначают v2. Таким образом, употребляемые для описания состояния колебательно-возбужденной молекулы квантовые числа vb v2 и vз характеризуют число квантов, соответствующих колебанию данного типа, L указывает на поляризацию деформационного колебания.

Уровни энергии W, связанные с лазерным излучением, схематично показаны на рис. 1.7. Уровень (00° 1) является верхним лазерным уровнем, а уровни (02°0) и (10°0) — нижними лазерными уровнями для колебательно-вращательных переходов (00°1) -> (02°0) и (00°1) -> (10°0) с длинами волн излучения 9,6 и 10,6 мкм и квантовыми КПД, равными 45 и 40 % соответственно. Для получения оптимальных условий генерации в рабочую смесь С02-лазера помимо углекислого газа добавляют азот и гелий. Обычно разряд С02- лазера происходит в смеси С02, N2 и Не при давлении до 0,1013 МПа (1 атм). Для оптимизации излучения в каждой конкретной установке подбирают определенный относительный состав смеси.

Накачка С02-лазера осуществляется непосредственно при столкновениях молекул С02 с электронами и колебательно-возбужденными молекулами N2. В газовом разряде быстрые электроны, сталкиваясь с молекулами С02 и N2, возбуждают их колебательные степени свободы, причем у молекулы С02 во время соударения с электроном возбуждается практически только один ассиметричный тип колебаний, так как под действием электрона в ней деформируется только одна связь С—О. Молекулы С02 из основного состояния (00°0) переходят либо на верхний лазерный уровень (00° 1), либо на более высоколежащие уровни (00°Уз). В результате неупругих столкновений с невозбужденными молекулами уровень энергии последних снижается, при этом невозбужденные молекулы переходят на верхний лазерный уровень (00° 1).

Молекула N2 состоит из двух одинаковых атомов, дипольный момент у нее отсутствует; релаксация ее колебательного возбужденного состояния не может происходить с испусканием излучения или вследствие соударений с другими молекулами N2. Однако близкое, почти совпадающее положение уровней (00° 1) молекулы С02 и молекулы N2 (v = 1) способствует эффективной передаче колебательной энергии от молекулы N2 молекуле С02. В результате этого происходит эффективный обмен энергией возбуждения между этими уровнями и молекулы азота в состоянии с v = 1 могут принимать участие в накачке верхнего лазерного уровня.

Для поддержания стационарной генерации нижние уровни С02 необходимо расселять. Это можно обеспечивать добавлением в лазерную смесь расселяющих компонент. Наиболее эффективно расселение уровней (10°0) и (02°0) осуществляется путем добавления гелия и воды. В результате добавления гелия, характеризующегося большим потенциалом ионизации, распределение электронов в газовом разряде изменяется таким образом, что оно способствует более эффективному возбуждению молекул С02 для перехода их на верхний лазерный уровень (00° 1). Кроме того, поскольку добавление гелия позволяет обеспечить хороший теплоотвод от рабочей смеси вследствие теплопроводности и оказывает стабилизирующее действие на разряд, в подавляющем большинстве случаев при использовании технологических лазеров предпочтение отдается ему.

Процессы накачки лазерной смеси и генерации неизбежно сопровождаются нагревом газа. Эффективность усиления активной среды С02-лазера существенно зависит от температуры рабочей смеси Тг. Заселенность нижнего лазерного уровня находится в равновесии с основным; ее можно описать законом Больцмана, т. е. с ростом Гг она экспоненциально возрастает. По достижении некоторой критической температуры Гтах инверсная заселенность лазерной смеси исчезает. При оптимальных температурах смеси Гопт достигается максимальная инверсия. Для типичных условий работы С02-лазеров Гтах ~ 700...800 К и Г0ПТ ~ ~ 400...500 К. Поэтому одним из основных условий работы С02-лазера является недопустимость перегрева лазерной смеси выше Гопт.

Отвод теплоты от рабочей смеси С02-лазера может осуществляться либо в результате отвода тепла к охлаждаемой стенке разрядной трубки, либо путем замены нагретой порции газа новой. В соответствии с этим, по способу охлаждения рабочей смеси газоразрядные С02-лазеры можно разделить на лазеры с диффузионным и конвективным охлаждением; иногда их называют газоразрядными лазерами с медленной и быстрой прокачкой. В зависимости от взаимной ориентации скорости потока газовой смеси и оптической оси быстропроточные лазеры можно в свою очередь разделить на лазеры с продольной и поперечной прокачкой. В лазерах с диффузионным охлаждением использование протока газа необязательно, при наличии схем регенерации лазерной смеси скорость газа может быть равна нулю.

Таким образом, для эффективной работы С02-лазера требуется трехкомпонентная лазерная смесь. Относительная концентрация составляющих газов определяется режимом генерации, а также способом возбуждения и охлаждения рабочей смеси.

 






Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 763; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2021 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей. | Обратная связь
Генерация страницы за: 0.009 сек.