книги / Промышленное применение лазеров
..pdfМодуляция добротности, т.е. ее резкое увеличение, произво дится следующим образом. При возбуждении активной среды лазера добротность резонатора сохраняется высокой, а в определенный мо мент она резко снижается. За время, пока добротность высокая, про изойдет накопление большого количества энергии в резонаторе, а после резкого уменьшения добротности накопленная энергия быст ро выйдет из резонатора.
Для изменения добротности резонатора используют устройства, называемые затворами (акустооптические, вращающиеся зеркала, призмы, электрооптические элементы и т.п.).
В режиме модуляции добротности могут быть получены им пульсы наносекундной длительности (1(Г8-М0 9 с).
Для получения режима модуляции добротности используются различные приемы. Схема модуляции добротности с помощью вра щающейся призмы показана на рис. 1.17. Генерация происходит лишь при положении призмы, указанном на рисунке. При остальных положениях призмы в процессе облучения импульсной лампой про исходит накачка рабочего тела.
Вид А.
Рис. 1.17. Схема модуляции |
Рис. 1.18. Схема дискового |
добротности резонатора с помощью |
модулятора добротности |
вращающейся призмы |
|
Другой конструкцией механического модулятора добротности является вращающийся диск с прорезью (рис. 1.18). Добротность ре зонатора сохраняется высокой, и энергия в резонаторе накапливается до тех пор, пока не появится прорезь диска. В этот момент начинает ся быстрый уход накопленной энергии из резонатора.
Из предыдущего материала нам известно, что резонатор - это некоторый колебательный контур, обеспечивающий условие резонан са, т.е. усиления определенной частоты колебаний (в нашем случае - электромагнитного излучения). Он служит для выделения части фото нов, движущихся в определенном направлении и обладающих одина ковой длиной волны (что и является лазерным излучением), и устроен так, что часть выделенного таким образом излучения снова возвраща ется в вещество и вызывает новые вынужденные переходы, соответст вующие выделенной длине волны и направлению излучения.
Пространственное распределение интенсивности энергии по сечению лазерного луча зависит от распределения электромагнитно го поля, формируемого в резонаторе, и, следовательно, от его типа и конструкции.
Электромагнитная волна характеризуется электрическим и маг нитным полями, перпендикулярными друг другу и направлению рас пространения (рис. 1.19). Стоячая электромагнитная волна в резона торе имеет как продольную (вдоль оптической оси), так и попереч ную структуру распределения электрического поля.
н '
Рис. 1.19. Мгновенное распределение электрического (Е)
имагнитного (Н) нолей в линейно-поляризованном пучке света
сдлиной волны X
Резонатор является оптической системой, позволяющей сфор мировать стоячую электромагнитную волну и получить высокую ин-
тенсивность излучения, необходимую для эффективного протекания процессов вынужденного излучения возбужденных частиц рабочего тела лазера, а следовательно, когерентного усиления генерируемой волны. Оптические резонаторы в квантовой электронике не только увеличивают время жизни кванта в системе и вероятность вынуж денных переходов, но и, так же как резонансные контуры и волново ды в классической электронике, определяют спектральные характе ристики излучения.
Как и в любом другом резонаторе, в оптическом резонаторе может существовать определенный набор возможных типов колеба ний, отличающихся пространственным распределением энергии. Выделенный вид электромагнитных колебаний, соответствующий определенному устойчивому распределению поля волны в резонато ре, называется модой резонатора.
Различные моды резонатора обладают различными потерями энергии. Наименьшими потерями в резонаторе обладают те типы ко лебаний, для которых распределение амплитуды достигает максиму ма в центре и наиболее круто спадает к краям зеркал. Этот тип коле баний называют основной модой резонатора и обозначают ТЕМ0о (ТЕМ - Transverse Electro Magnetic - поперечное электромагнитное колебание, т и п - целые числа, равные 0, 1, 2... и обозначающие число изменений знака поля на поверхности зеркал, a g равно числу полуволн, укладывающихся на длине резонатора).
Различные колебания в резонаторе характеризуются набором модовых чисел g, m, я, которые принято писать рядом с буквенным обозначением типа электромагнитных волн (например, ТЕМ^ „). Индексы т и п называют поперечными, a g - продольным или акси альным индексом. Следует заметить, что число g очень велико по сравнению с тип, поэтому индекс g в обозначениях мод не выража ется числом и часто опускается. Продольное распределение поля описывается модовым числом g, соответствующим различным, так называемым продольным модам колебаний.
Моды отличаются друг от друга распределением электромаг нитного поля на поверхностях зеркал резонатора, т.е. пространствен
ными и энергетическими характеристиками. Колебания, соответст вующие различным продольным модам, имеют одинаковое попереч ное распределение интенсивности излучения на выходе из резонато ра и отличаются лишь частотами этого излучения. В соответствии с этим часто моды, характеризующиеся одними и теми же индексами т и /?, но разными g, объединяют под общим названием поперечной моды ТЕМ,,,,, (рис. 1.20).
Поперечная структура поля характеризуется наличием узлов электрического поля по радиусу и углу и описывается числами т и п. В случае цилиндрического резонатора т означает число узлов поля на радиусе резонатора, а п - число узлов на половине его периметра.
—
• |
Н |
• |
• |
• 1 |
|||
ТЕМоо |
ТЕМо, |
ТЕМц |
|
Ж |
Ж |
1 • • |
|
I M |
|||
Ml |
• |
м |
|
ТЕМоз |
т е м 12 |
т е м 22 |
|
Рис. 1.20. Распределение поля на зеркалах резонатора для |
|||
|
некоторых типов колебаний |
|
|
Модовый |
состав излучения в резонаторе |
определяет спектр |
и пространственные параметры генерируемого пучка и поэтому яв ляется важной характеристикой лазера. Каждому типу колебаний соответствует определенное зачухание. Это означает, что условия
возбуждения различных мод неодинаковы. Тип колебаний, обла дающий наименьшими потерями, называют основной модой резона тора, а остальные - модами высших порядков. Если в лазерном излу чении присутствует только основная мода, то такое излучение назы вают одномодовьш, если иначе - многомодовым.
При этом одномодовом режиме поперечный размер и расходи мость лазерного излучения минимальны, а степень когерентности и способность к фокусировке - максимальны. В этом случае характер распределения плотности мощности по сечению пучка известен (рас пределение Гаусса) и легко описывается аналитически.
Многомодовый режим характеризуется более высокой выход ной мощностью, большей расходимостью и неравномерным распре делением плотности мощности. Аналитически такое распределение описать нельзя, и способность к фокусировке у такого излучения го раздо меньше.
Моды высшего порядка хуже фокусируются, и поэтому от них, как правило, стремятся избавляться. Другими словами, чем выше порядок моды, тем излучение более неоднородно по энергетическо му параметру. Незначительные нарушения в конструкции лазера (разюстировка зеркал, попадание пыли) приводит к появлению мод вы сокого порядка.
Моды высших порядков можно «гасить» путем установки в ре зонаторе специальных элементов, например диафрагм. Для компен сации всех потерь энергии в системе вещество-резонатор-излучение излучающее вещество периодически снова приводят в инверсное со стояние с помощью излучения накачки. На пути выходящего из ре зонатора излучения можно установить прозрачный элемент, после прохождения которого излучение будет иметь определенную ориен тацию вектора электрического поля, т.е. определенное состояние по ляризации. Такой элемент называют поляризующим элементом - по ляризатором. Необходимо отметить, что при его отсутствии лазер ное излучение будет неполяризованным, тогда поляризации достигают другими методами.
Промышленные излучатели, в основном, конструктивно выпол нены так, что они способны генерировать лазерное излучение только с определенным распределением энергии по сечению луча. Поэтому для каждого вида лазерной обработки материалов (резка, сварка, тер моупрочнение и т.д.) выбирают соответствующий излучатель.
Так, для лазерной резки материалов наиболее приемлемыми яв ляются излучатели, работающие на одноили двухмодовом режимах, ввиду того, что в этих случаях при фокусировке луча можно полу чить «острый» луч, имеющий в фокусе (в зависимости от излучаемой моды и качества оптической системы) диаметр от 0,1 до 0,3 мм. У излу чателя, работающего на многомодовом режиме, значение этого диа метра доходит до 0,5-Ю,6 мм. Это приводит к падению плотности мощности, увеличению ширины реза и, следовательно, к- снижению технологических возможностей такого лазера.
Лазерные сварочные операции обычно выполняются в многохмодовом режиме излучения, обеспечивающем более равномерное проплавление свариваемых участков металла. Когда требуется бо лее глубокое проплавление металла, используют кольцевой режим излучения.
Для выполнения операции лазерного поверхностного термоуп рочнения, где требуются относительно небольшие плотности мощно сти, но желательны увеличенные диаметры луча в фокальной плос кости, используют многомодовое излучение.
Контрольные вопросы
1.Что такое видимый свет, его свойства?
2.Что такое фотон, как определяется энергия фотона?
3.Что такое лазерное излучение?
4.Перечислите характеристики лазерного излучения?
5.Каков диапазон длин волн у лазерного излучения?
6.Что такое монохроматичность и когерентность излучения?
7. Чем определяется направленность и поляризация излучения
влазерах?
8.Что такое энергетический уровень, чем отличаются основ ной и остальные уровни частицы?
9.Назовите квантовые числа микрочастицы.
10.Из каких составляющих формируется спектр разрешенных энергетических уровней системы сложных атомов и молекул?
11.Перечислите и охарактеризуйте виды оптических переходов.
12.Что такое индуцированное излучение?
13.Что такое инверсия населенности и каков способ ее полу
чения?
14.Объясните. почему в ОКТ используется трехуровневая схема?
15.Что такое оптический резонатор, каково его назначение?
16.Типы резонаторов и их параметры.
17. Опишите схему получения индуцированного излучения в ре зонаторе.
18.Опишите свойства различных зеркал, используемых в резо
наторах.
19.Что такое модовый состав лазерного излучения, от чего он
зависит?
20.Объясните, каковым должен быть модовый состав излуче ния в резонаторе, чтобы осуществить ту или иную обработку ма териала.
21.Что такое добротность резонатора, как ее можно изменить?
22.Что такое поляризатор и причины его использования?
2.ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ЛАЗЕРОВ
Технологический лазер (ТЛ) представляет собой устройство, предназначенное для работы в составе комплекса промышленного оборудования, производящего изделия машиностроения и приборо строения или материалы (вещества) с заданными физическими и химическими характеристиками. Поэтому ТЛ должен удовлетво рять, во-первых, общим требованиям, предъявляемым к любому промышленному технологическому оборудованию; во-вторых, спе цифическим требованиям, обусловленным самим лазерным техноло гическим процессом или связанным с особенностями лазерного луча как рабочего инструмента. Для выполнения этих требований ТЛ должен иметь определенные конструктивные параметры, быть пол ностью автоматизированным, являться составной частью автомати зированных лазерных технологических комплексов (АЛТК). Конст рукция ТЛ и условия его эксплуатации должны обеспечивать полную безопасность в работе и удовлетворять высоким гигиеническим, эко логическим и эстетическим требованиям.
Особой группой условий промышленного применения ТЛ явля ется технико-экономическая целесообразность использования каждого конкретного вида лазерной технологии при изготовлении определен ных промышленных изделий; этот вопрос должен всегда рассматри ваться комплексно и применительно к текущему и перспективному состоянию промышленной технологии вообще.
Основным критерием, определяющим физическую возмож ность того или иного процесса лазерной обработки изделий при тер мической технологии, является достаточная интенсивность излуче ния на поверхности обрабатываемого изделия и длительность воз действия излучения. Следующим важным параметром является
средняя мощность излучения, определяющая производительность процесса, а в некоторых случаях и его принципиальную физическую возможность.
Лазеры разделяются по типам, прежде всего, в зависимости от их активной среды. Разнообразие свойств активных веществ приводит к большому числу возможных механизмов получения инверсии насе ленности и требует различных способов возбуждения активной среды.
2.1. Классификация квантовых приборов
Квантовые приборы можно классифицировать несколькими способами.
1. По диапазону длин волн: мазеры и лазеры, причем послед ние могут быть инфракрасные (И К )- 0,78-1(Г6<А,<1(Г4 м; видимо го света (ВС) - 0,7810~6<А,<0,38-1(Г6 м; ультрафиолетовые (У Ф )- 0,3810"6<А,<1СГ8 м; рентгеновские (РЛ) - О^в-НГ^ХсКГ4 м и гам ма-лазеры (у-Л) - А.<10"12 м.
2. По типу используемой активной среды: полупроводниковые, твердотельные (в частности, использующие нелинейные свойства среды), жидкостные, плазменные, газовые, причем последние могут быть атомарные, ионные, молекулярные и пучковые атомарные
имолекулярные.
3.По режиму работы и методам управления выходным излуче нием: непрерывные, импульсные, лазеры гигантских импульсов, од
номодовые, многомодовые, с синхронизацией типов колебаний,
сперестройкой длины генерируемой волны различными способами.
4.По назначению (усилитель, умножитель, генератор) и по применению (область применения весьма обширна).
5.По типу используемого резонатора и образующих его зеркал
ипо методу селекции типов колебаний в нем или по типу используе мой замедляющей системы в случае мазеров бегущей волны.
6.По методам получения инверсной населенности уровней сиг нального квантового перехода. По этому способу квантовые приборы
можно разделить на десять больших групп, каждая из которых осно вана на применении:
1) пространственного разделения пучка атомов или молекул
внеоднородных электрических и магнитных полях;
2)химических методов получения возбужденных молекул, кото рые, в свою очередь, можно разделить на методы с инициированием химических реакций и методы без инициирования;
3)метода создания и использования эксимерных молекул, т.е. молекул, существующих только в возбужденном состоянии;
4)группы методов, использующих движение свободных электро нов в периодически меняющихся электрических или магнитных полях или взаимодействие этих электронов со встречным потоком квантов;
5)методов, используемых в полупроводниковых квантовых приборах и содержащие четыре способа возбуждения полупроводни ков: метод инжекции носителей заряда в контакт вырожденных по лупроводников или в гетеропереход; метод электронного возбужде ния, осуществляемый путем бомбардировки полупроводника элек тронным пучком; метод оптического возбуждения полупроводников
иметоды сильного поля;
6)метода внешнего возбуждения многоуровневой (обычно трехуровневой) системы. Это самый распространенный метод и ис пользуется он в парамагнитных квантовых приборах (твердотельных
ижидкостных) и частично в газоразрядных лазерах;
7)метода возбуждения внешними гиперзвуковыми колебания ми (разновидность предыдущего метода). С помощью этого метода получение инверсной населенности осуществляется за счет возбуж дения гиперзвуковыми колебаниями многоуровневой парамагнитной системы. Используется этот метод в акустическом мазере (генерато ре или усилителе гиперзвука) и в обратном акустическом мазере, т.е.
вобычном усилителе или генераторе электромагнитных колебаний, возбуждаемых гиперзвуком;
8)газоразрядного возбуждения атомов. Этот способ подразде ляется на три метода: метод столкновений, метод возбуждения при