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 v_b 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 Т_г. Заселенность нижнего лазерного уровня находится в равновесии с основным; ее можно описать законом Больцмана, т. е. с ростом Г_г она экспоненциально возрастает. По достижении некоторой критической температуры Г_тах инверсная заселенность лазерной смеси исчезает. При оптимальных температурах смеси Г_опт достигается максимальная инверсия. Для типичных условий работы С0₂-лазеров Г_тах ~ 700...800 К и Г_0ПТ ~ ~ 400...500 К. Поэтому одним из основных условий работы С0₂-лазера является недопустимость перегрева лазерной смеси выше Г_опт.

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.