Geum.ru

Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2003

Вид материалаУчебное пособие

Содержание


В том числе: источники лазерного излучения
10.2. принцип действия лазера
1 — полупрозрачное зеркало; 2
1 — источник лазерного излучения; 2
Источник возбуждения
Подобный материал:
1   ...   40   41   42   43   44   45   46   47   48

В странах СНГ, к сожалению, освоение лазеров в промышленности пока далеко от требуемого уровня, хотя практически все известные на сегодня лазерные системы были или созданы, или усовершенствованы отечественными учеными и инженерами.

Российские предприятия выпускают почти все известные виды лазерной техники в широком ассортименте, но, строго говоря, современному мировому техническому уровню соответствует не более 5–10 % этих моделей, а многие из них остаются опытными образцами. Производство лазерной техники в России в 1996–2000 гг. можно представить следующим образом:

Всего моделей
Около 2,5 тыс.

В том числе: источники лазерного излучения
1700

лазерное медицинское оборудование
400

установки для обработки материалов
140

лазерные приборы для технических измерений
160

Организаций — производителей лазерной техники
Около 300


В 1996 г. Россия занимала второе место в Европе по объему лазерных НИОКР, но к 2000 г. заметно снизился объем новых научных результатов по лазерной физике и квантовой электронике, отодвинув страну на четвертое место после Германии, Франции и Великобритании.

По средним оценкам объем продаж российской лазерной продукции внутри страны и за рубежом в последние годы не превышает 0,1 % мирового рынка, что не соответствует имеющемуся в России конструкторско-производственному потенциалу.

10.2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРА



Микрочастицы в веществе, как известно, могут обладать только некоторыми фиксированными значениями энергии: 1 Дж, 2 Дж, 3 Дж, 4 Дж и т. д., но не 1,5 Дж или 3,7 Дж. На самом деле разница между уровнями намного меньше — для двух нижних уровней атома водорода эта разница составляет около 1,5·10–18 Дж, а для возбужденных состояний (пятый и шестой уровень) — 2,5·10–20 Дж.

Частицы, обладающие одинаковой энергией, называются находящимися на одном энергетическом уровне. Если частица переходит с более высокого уровня на более низкий, то она испускает энергию, а если с более низкого — на более высокий, то поглощает ее. Переход между уровнями осуществляется несколькими способами.

Переход вверх может быть осуществлен, например, с поглощением фотона. В этом случае фотон аннигилирует, а частица, “забрав” его энергию, переходит вверх.

Переход вниз может происходить как с испусканием фотона (излучательный переход), так и без испускания (безызлучательный переход).

Теперь представьте, что каким-то образом на верхних уровнях вы создали большое число частиц. Процесс создания называется накачка.

Накачка возбуждает атомы активной среды, переводя их из основного (нижнего) энергетического состояния на верхний (возбужденный) уровень. Чтобы возникла генерация, накачка должна обеспечить наличие достаточно большого числа атомов активной среды на верхнем (возбужденном) уровне. Говорят, что накачка должна обеспечить инверсную населенность среды, когда число атомов на верхнем уровне превышает их число на нижнем. После этого частицы начнут “падать” вниз, так как будут стремиться к состоянию с наименьшей энергией. Соответственно они начнут испускать фотоны, т. е. свет. Именно этот свет и видят на выходе лазера.

Активная среда может быть различной и представляет собой совокупность атомов, молекул, ионов или кристалл (полупроводниковый лазер). Например, в качестве активной среды CO2-лазера выступает газовая смесь CO2—He—N2; также активной средой могут быть пары металлов (лазер на парах меди), алюмоиттриевый гранат, легированный неодимом (твердотельный лазер) и др.

В зависимости от активной среды получаемое излучение имеет различные характеристики (длина волны, мощность и др.). CO2-лазеры генерируют излучение с длиной волны 10,6 мкм, а твердотельные лазеры — с длиной волны 1,06 мкм. Следовательно, при равной мощности излучения глубина проплавления стали твердотельным лазером значительно выше, чем при использовании CO2-лазера, так как поглощающая способность материала зависит от длины волны. В свою очередь, максимальная мощность CO2-лазера значительно выше мощности твердотельных лазеров, поэтому для различных технологий используются лазеры разных типов, излучение которых отвечает требованиям данной технологии.

Сейчас устройство лазера кажется чрезвычайно простым: световые лампы накачки облучают рабочее тело (например, стержень из рубина или неодимового стекла), в котором образуется определенная заселенность уровней (на верхнем, возбужденном уровне больше атомов, чем на основном, нижнем); первый же высветившийся фотон, проходящий вдоль стержня, “срывает” лавину фотонов, и с обоих торцов выходят узкие монохроматические световые пучки.

Зеркала образуют так называемый оптический резонатор лазера. Задача оптического резонатора — обеспечение необходимого уровня обратной связи для возникновения генерации. Отражаясь от зеркал, волна многократно проходит через среду и усиливается.

В зависимости от типа лазера и мощности выходного излучения зеркала изготавливаются из разных материалов (например, у мощных CO2-лазеров зеркала делаются из меди и дополнительно охлаждаются маслом, которое, в свою очередь, охлаждается водой).

Обычно резонатор состоит из “глухого” и полупрозрачного зеркал (рис. 117). “Глухое” зеркало полностью отражает падающее на него излучение (коэффициент отражения “глухого” зеркала около 1).


Рис. 117. Принципиальная схема источника лазерного излучения: 1 — полупрозрачное зеркало; 2 — “глухое” зеркало; 3 — активная среда; 4 — выходное лазерное излучение


Излучение, отраженное от “глухого” зеркала, вновь проходит через активную среду и усиливается. Полупрозрачное зеркало служит выходом для излучения из резонатора (коэффициент отражения полупрозрачного зеркала < 1), т. е. часть излучения отражается, а часть выходит из резонатора. Так, например, для CO2-лазера как “глухое”, так и полупрозрачное зеркала изготовлены из меди, но полупрозрачное зеркало имеет выходное отверстие.

Выходное излучение транспортируется к обрабатываемому изделию (рис. 118). Транспортировка излучения, в зависимости от типа лазера, может осуществляться различными способами: по воздушному тракту с использованием поворотных зеркал (для CO2-лазера); по гибкому оптическому волокну (для твердотельных, диодных лазеров).

Для обеспечения необходимой концентрации энергии на поверхности обрабатываемого изделия применяют фокусирующие системы, которые могут состоять из фокусирующих линз (ZnSe) либо из фокусирующих зеркал (медные сферические зеркала).


Рис. 118. Схема транспортировки лазерного излучения к изделию: 1 — источник лазерного излучения; 2 — лазерное излучение; 3 — поворотное зеркало; 4 — фокусирующее устройство; 5 — обрабатываемое изделие


Среда чаще называется активным веществом. Это вещество должно иметь определенную концентрацию активных частиц, т. е. частиц, которые обеспечивают накопление и излучение энергии. В качестве активного вещества используют:

твердые искусственные вещества и минералы (рубин, сапфир, стекло с неодимом и др.) — твердотельные лазеры;

газы, например гелий, — неоновый, аргоновый лазеры;

жидкости, парообразные среды, полупроводниковые материалы и др.

Источник возбуждения обеспечивает переход в возбужденное состояние большинства активных частиц. Таким источником может быть световая энергия, электронная бомбардировка, химическая энергия и др.

К другим основным элементам обычно относят: рефлектор, резонатор, источник питания активного элемента, пульт управления.

Лазеры различают по характеристикам излучаемой энергии, выходной мощности, в зависимости от конструкции резонатора и другим признакам.