Теоретические основы лазерной технологии

1. Принцип действия и устройство лазера

Лазер - это генератор когерентного света. Идеальная когерент­ная (упорядоченная) волна имеет строго определенные длину и час­тоту, плоский фронт и является идеально поляризованной. Некоге­рентные (неупорядоченные) волны характеризуются разбросом частот и длин волн в достаточно большом интервале значений и не имеют определенной плоскости поляризации.

В природе отсутствуют как идеально когерентные, так и неко­герентные световые волны. Независимо от источника световые волны характеризуются разбросом своих характеристик в некотором интер­вале значений. Чем эти интервалы уже, тем более упорядоченным, когерентным является световое излучение. Несколько упрощенно ре­альную световую волну можно рассматривать как набор плоских мо­нохроматических поляризованных волн с разными частотами, направ­лениями распространения и плоскостями поляризации. Повышение ко­герентности излучения можно понимать как сокращение числа разных волн в наборе. В идеальном когерентном излучении, к которому приближается лазерное, весь набор состоит из единственной волны.

Когерентное излучение обладает такими свойствами, как мо­нохроматичность, малая расходимость луча, высокая яркость. Это позволяет фокусировать лазерное излучение на поверхность обраба­тываемого материала с помощью простой оптической системы. Линей­ные размеры сфокусированного лазерного луча (пятна) могут дости­гать долей микрометра. При таких малых размерах вся энергия из­лучения концентрируется на площадке в миллионные доли квадратно­го сантиметра, создавая на поверхности плотность энергии в сотни миллиардов Ватт на квадратный сантиметр. Таким образом, сфокуси­рованный когерентный луч может испарять самые тугоплавкие мате­риалы.

Слово лазер состоит из начальных букв английского словосо­четания Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский - усиление света вынужденным испуска­нием.

Работа лазера основана на ис­пользовании запасов внутренней энергии атомов и молекул вещест­ва, образующих микросистемы – образования, состоящие из ядер и электронов, поведение и состояние которых под­чиняются законам квантовой механики.

Энергия относительного движения частиц, составляющих атомы может принимать только строго определенные значения. Эти значения энергии Е₁, Е₂,…, Е_к называются уровнями энергии. Система энергетических уровней составляет энергетический спектр атома. Нижний уровень – с минимальной энергией – называется основным, остальные – возбужденными. Энергетический спектр изолированного атома зависит от его структуры. Число атомов, обладающих данной энергией, называют населенностью уровня.

Если атому, находящемуся на основном уровне Е₁, сообщить энергию, он может перейти на один из возбужденных уровней (рис.1). Наоборот, возбужденный атом может самопроизвольно (спонтанно) перейти на один из нижележащих уровней, излучив при этом определенную порцию энергии в виде кванта света (фотона). Если излучение света происходит при переходе атома с уровня энергии Е_m на уровень Е_n, то частота испускаемого (или поглощаемого) кванта света _mn:

(1.1)

где h – постоянная Планка.

Рис.1. Энергетический спектр атома

Именно такие спонтанные процессы излучения происходят в нагретых телах и светящихся газах: нагревание или электрический разряд переводят часть атомов в возбужденное состояние; переходя в нижние состояния, они излучают свет. В процессе спонтанных переходов атомы излучают свет независимо один от другого. Кванты света хаотически испускаются в виде волновых цугов(пакетов). Цуги не согласованы друг с другом во времени, т.е. имеют различную фазу. Поэтому спонтанное излучение некогерентно.

Наряду со спонтанным излучением возбужденного атома существует вынужденное (или индуцированное) излучение: атомы излучают под действием внешнего быстропеременного электромагнитного поля, например света. При этом оказывается, что под действием внешней электромагнитной волны атом излучает вторичную волну, у которой частота, поляризация, направление распространения и фаза полностью совпадают с характеристиками внешней волны, действующей на атом. Явление вынужденного излучения дает возможность управлять излучением атомов с помощью электромагнитных волн и таким путем усиливать и генерировать когерентный свет. Чтобы осуществить это практически, нужно удовлетворить определенным условиям. Во-первых, необходим резонанс – совпадение частоты падающего света с одной из частот _mn энергетического спектра атома. О выполнении резонансного условия позаботилась сама природа: если световой фотон испущен спонтанно при переходе атома с более высокого уровня Е_m на уровень Е_n, то его частота равна _mn и будет соответствовать переходу между аналогичными уровнями другого такого же атома, т.к. энергетический спектр одинаковых атомов абсолютно идентичен. В дальнейшем вынужденное излучение возбужденных атомов порождает целую лавину фотонов, во всем подобных первичному фотону. В результате совокупность атомов испустит интенсивную когерентную световую волну, т.е. будет осуществлена генерация когерентного света. Другое условие связано с населенностью различных уровней. Наряду с вынужденным излучением света атомами, находящимися на верхнем уровне E_m, происходит также резонансное поглощение атомов, населяющих нижний уровень Е_n. Атом, находящийся на нижнем уровне Е_n, поглощает световой квант, переходя при этом на верхний уровень Е_m. Резонансное поглощение препятствует возникновению инерции света. Будет ли в итоге система атомов генерировать свет или нет, зависит от того, каких атомов в веществе больше. Для возникновения генерации необходимо, чтобы число атомов на верхнем уровне N_m было больше числа атомов на нижнем уровне N_n, между которыми происходит переход.

В естественных условиях на более высоком уровне при любой температуре меньше частиц, чем на более низком. Поэтому любое тело, сколь угодно сильно нагретое, не будет генерировать свет за счет вынужденных переходов.

Для возбуждения генерации когерентного света необходимо принять специальные меры, чтобы из двух выбранных уровней верхний был заселен больше, чем нижний. Состояние вещества, в котором число атомов на одном из уровней с более высокой энергией больше числа атомов на уровне с меньшей энергией, называют активным, или состоянием с инверсией (обращением) населенностей. Таким образом, для возбуждения генерации когерентного света необходима инверсия населенностей для той пары уровней, переход между которыми соответствует частоте генерации.

Вторая проблема, которую необходимо решить для создания лазера, - это проблема обратной связи. Для того чтобы свет управлял излучением атомов, необходимо, чтобы часть излучаемой световой энергии все время оставалась внутри рабочего вещества, вызывая вынужденное излучение света все новыми и новыми ато­мами. Это осуществляется с помощью зеркал. В простейшем случае рабочее вещество помещается между двумя зеркалами, одно из которых полупрозрачно (рис.2). Испущенная в каком-либо месте в резуль­тате спонтанного перехода атома световая волна усиливается за счет вынужденного испускания при распространении ее через рабочее вещество. Дойдя до полупрозрачного зеркала, свет ча­стично пройдет через него. Эта часть световой энергии излучается лазером во вне и может быть использована. Часть же света, отразившаяся от полупрозрачного зеркала, даст начало новой лавине фотонов. Эта лавина не будет отличаться от предыдущей в силу свойств вынужденного испускания.

Рис.2. Схема возбуждения генерации когерентного света

Но выполнение двух описанных условий еще недостаточно. Для того чтобы возникла генерация света, усиление в активном веществе должно быть достаточно большим. Оно должно превышать некоторое значение, называемое пороговым. Действительно, пусть часть светового потока, падающего на полупрозрачное зеркало, отразилась назад. Усиление на двойном расстоянии между зеркалами (один проход) должно быть таким, чтобы на полупрозрачное зеркало вернулась световая энергия, не меньшая, чем в предыдущий раз. Только тогда световая волна начнет нарастать от прохода к проходу. Если же этого нет, то в течение второго прохода полупрозрачного зеркала достигнет меньшая энергия, чем в предыдущий момент, в течение третьего – еще меньшая и т.д. Процесс ослабления будет продолжаться до тех пор, пока световой поток не затухнет полностью. Ясно, что чем меньше коэффициент отражения полупрозрачного зеркала, тем большим пороговым усилением должно обладать рабочее вещество.

Итак, для создания источника когерентного света необходимы следующие требования:

• нужно рабочее вещество с инверсной заселенностью, только тогда можно получить усиление света за счет вынужденных переходов;

• рабочее вещество следует поместить между зеркалами, которые осуществляют обратную связь;

• усиление, даваемое рабочим веществом, а значит, число возбужденных атомов или молекул в рабочем веществе должно быть больше порогового значения, зависящего от коэффициента отражения полупрозрачного зеркала.

Способы создания инверсии. Существует несколько способов создания инверсии (накачки активной среды): оптический, тепло­вой, химический, с помощью электронного луча, с использованием самостоятельного электрического разряда и др.

Из приведенных способов рассмотрим оптическую накачку и на­качку с использованием самостоятельного электрического разряда.

Первый способ является универсальным и применяется для воз­буждения различных активных сред - диэлектрических кристаллов, стекол, жидкостей, газовых смесей. Оптическое возбуждение может использоваться так же, как составной элемент некоторых других способов накачки (например, электроионизационного и химического).

Второй способ применяют для накачки разреженных газообразных ак­тивных сред.

Оба способа, как и многие другие, допускают импульсную и непрерывную накачки. При оптическом способе могут использоваться газоразрядные импульсные лампы либо лампы непрерывного горения. При накачке с использованием электрического разряда применяют импульсные разряды и стационарные. При импульсной накачке энер­гия возбуждения поступает в активный элемент порциями (импульса­ми), а при непрерывной - непрерывно (стабильно).

Импульсная накачка (по сравнению с непрерывной накачкой) об­ладает рядом преимуществ, поскольку обеспечивает генерацию в большинстве активных сред, ее легче реализовывать с технической точки зрения, при этом не требуется принудительного охлаждения активного элемента из-за его незначительного нагрева. При им­пульсной накачке возможны различные режимы генерации; лазерное излучение формируется в виде одиночных световых импульсов или последовательности импульсов. При этом достигают высокой кон­центрации излучаемой энергии во времени и пространстве (сверхко­роткие световые импульсы мощностью до 10¹² Вт).

Возбуждение активных центров при оптической накачке происхо­дит в результате поглощения излучения от специального источника света.

При накачке самостоятельным электрическим разрядом заселение верхних уровней происходит в результате неупругих столкновений активных центров со свободными электронами плазмы.

При электроионизационной накачке быстрые электроны, возбуж­дающие колебательные состояния молекул газа (в частности, азота и диоксида углерода), образуются не в самостоятельном разряде, а под действием ионизирующего излучения и ускоряющего внешнего по­ля. В качестве ионизирующего излучения используют пучок электро­нов из ускорителя.

Та­ким образом, любой лазер состоит из трех основных частей: актив­ного элемента, оптического резонатора и системы накачки. Функци­ональная схема лазера представлена на рис.3.

Рис.3. Функциональная схема лазера: 1 – активный элемент; 2 – зеркало резонатора; 3 – элемент резонатора; 4 – система накачки

Твердотельные лазеры. Твердотельными называют лазеры, актив­ная среда которых представляет собой кристалл диэлектрика или стекло с введенными в них ионами, играющими роль активных цент­ров.

Схема оптической накачки в твердотельном лазере показана на рис.4. Газоразрядная лампа-вспышка 2 (источник накачки) имеет форму прямого цилиндра и размещается параллельно активному эле­менту 1. Лампу и активный элемент устанавливают внутри отражате­ля 3 таким образом, что в каждом сечении, перпендикулярном оси ци­линдра, они находятся в фокусах эллипса. Вследствие этого свето­вые лучи, выходящие из одного фокуса, после отражения от эллип­тической поверхности попадают на активный элемент, обеспечивая максимальную фокусировку. Еще большей выходной мощности лазера достигают использованием двухламповых отражателей.

Рис.4. Схема оптической накачки в твердотельном лазере: 1 - ак­тивный элемент, 2 - лам­па-вспышка (источник накачки), 3 - отражатели

В твердотельных лазерах оптическими резонаторами служат про­тивоположные грани активных элементов, на которые напыляется слой металла.

Впервые лазерная генерация была получена на рубине. Рубин образуется при растворении небольших количеств Cr₂O₃ в сапфире Al₂O₃. Розовый цвет обусловлен широкими полосами поглощения ионов Cr³⁺, что дает возможность при накачке получать лазерные перехо­ды в красной области. Длина волны излучения лазера при комнатной температуре составляет 0,6943 мкм.

Кристаллы рубина обладают большой механической прочностью и теплопроводностью. Благодаря этим качествам кристаллов, а также возможности выращивания однородных по длине и сечению слитков практически любой длины и диаметра лазеры на рубине получили ши­рокое распространение.

Рубиновые лазеры работают в импульсном или непрерывном режи­ме. Из-за низкого кпд (~ 0,1%) рубиновый лазер непрерывного действия неэкономичен по сравнению с другими твердотельными ла­зерами непрерывного действия. Накачку лазера осуществляют спи­ральными или линейными ксеноновыми импульсными лампами.

Лазеры на алюмоиттриевом гранате с добавлением химического элемента неодима (АИГ:Nd-лазеры) нашли наиболее широкое примене­ние среди всех твердотельных лазеров, так как обладают достаточ­но высоким кпд, большой выходной мощностью и не перегреваются при большой частоте следования световых импульсов. Длина волны излучения АИГ:Nd-лазера 1,06 мкм. Накачку лазера производят ксе­ноновыми или криптоновыми лампами.

Кроме того, широко используют лазеры на неодимовом стекле, которые также являются относительно эффективными источниками ко­герентного излучения в окрестности длины волны 1,06 мкм. Относи­тельная легкость обработки стекла позволяет не только получать активные элементы в виде стержней длиной до 2 м или пластин с поперечными размерами до 10 см, но и создавать конструкции тон­копленочных усилителей и волоконных лазеров длиной в несколько десятков метров. Благодаря этому такие лазеры используют в ин­тегрально-оптических системах.

Газовые лазеры. В этих лазерах инверсия населенностей уровней создается за счет возбуждения атомов или молекул газа при их соударениях со свободными электронами, образующимися в электрическом разряде. Давление в газоразрядных лазерах выбирается в пределах от сотых долей до нескольких мм рт.ст. При меньших давлениях электроны, ускоренные электрическим полем, очень редко сталкиваются с атомами. При этом ионизация и возбуждение атомов происходит недостаточно интенсивно. При больших давлениях эти столкновения становятся, наоборот слишком частыми. Благодаря этому электроны не успевают достаточно ускоряться в электрическом поле и приобрести энергию, необходимую для ионизации и возбуждения атомов, т.е. столкновения становятся мало эффективными.

Различают три типа газоразрядных лазеров: лазеры на нейтральных атомах, ионные лазеры и молекулярные лазеры. Они отличаются друг от друга как механизмом образования инверсии населенностей, так и диапазонами генерируемых длин волн. Различие в диапазонах обусловлено различиями в энергетическом спектре нейтральных атомов, молекул и ионов.

Лазеры с активным элементом, состоящим из смеси гелия и неона (10:1), - He-Ne-лазер - является газоразряд­ным на атомных переходах, генерирующих излучение длиной волны 0,6328 мкм.

Аргоновый и крип­тоновый ионные лазеры являются самыми мощными среди лазеров неп­рерывного действия в видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра. Как правило, промышленные приборы имеют мощность 10-20 Вт в области 0,5 мкм и 1-2 Вт - в окрестностях 0,35 мкм, кпд ла­зеров не превышает 0,1%.

Наибольшим кпд преобразования (до 40%) электроэнергии в энергию излучения по сравнению с другими газовыми лазерами обла­дают лазеры на углекислом газе (СО₂-лазеры). Они просты в экс­плуатации при высоких мощностях, поэтому широко применяются в промышленности.

Рис.6. Устройство СО₂-лазера с разделением областей разряда и рабочего объема резонатора: 1 - система прокачки азота, 2 - об­ласть электрического разряда, 3 - рабочий объем резонатора, 4 - выходное зеркало резонатора, 5 - система прокачки диоксида уг­лерода

Активная среда СО₂-лазера состоит из смеси газов диоксида углерода, молекулярного азота и небольшого количества гелия и паров воды. Возбуждение лазера проводится тлеющим разрядом. Ла­зер (рис.6) имеет отдельные системы прокачки диоксида углерода 5 и азота 1. Молекулы азота, попадающие в область электрического разряда рабочего капилляра 2, возбуждаются при столкновении с электронами. Далее они попадают в рабочий объем резонатора 3, где смешиваются с невозбужденными молекулами СО₂ и передают им свою энергию.

СО₂-лазер генерирует излучение длинами волн 0,940 и 1,040 мкм и может работать в непрерывном и импульсном режимах. В пер­вом случае лазер возбуждается продольным электрическим разрядом в цилиндрической трубке. Так устроены все промышленные непрерыв­ные СО₂-лазеры мощностью до 800 Вт. Во втором случае СО₂-лазеры могут генерировать импульсы энергией до 2 кДж, электроионизаци­онные - энергией более 2 кДж.

Химические лазеры. Кроме электрического разряда, инверсия населенностей уровней атомов и молекул в газовых лазерах может создаваться в результате химических реакций, при которых образуются атомы или радикалы в возбужденных состояниях. Так как обычные реакции протекают довольно медленно, то они непригодны для создания инверсии населенностей. Прежде чем накопится достаточно много возбужденных атомов, они успеют перейти в основное состояние, и лазер работать не будет. По этой причине химические лазеры могут работать только на быстропротекающих реакциях, таких как фотодиссоциация молекул (распад молекулы на несколько частей под действием света), взрыв или химические реакции между атомами или молекулами во встречных пучках атомов или молекул различных веществ. Химический метод создания инверсий населенностей принципиально допускает создание лазеров с очень высокими кпд и выходной мощностью. Лазер на фотодиссоциации молекул CF₃J создает высокие мощности света (до 50 кВт) при энергии в импульсе до 65 Дж. Особенно большую мощность могут дать лазеры, работающие на взрывах.

Устройство лазерных технологических установок.В настоящее время в технологии производства изделий электронной техники ис­пользуются различные лазерные технологические установки, которые независимо от их назначения имеют общую структурную схему и ана­логичные конструктивные элементы (рис.7).

Лазер 2 является основным источником энергии, обеспечивающим выполнение технологического процесса. Оптическая система 5 фоку­сирует лазерное излучение 4 в световой пучок и направляет его на обрабатываемый объект 7. Кроме того, с помощью оптической систе­мы 5 проводят визуальный контроль положения обрабатываемой дета­ли относительно луча, наблюдают за ходом выполнения процесса и оценивают его результаты. С помощью устройства 8 перемещают об­рабатываемую деталь 7 во время технологического процесса, фикси­руют ее в заданном положении и сменяют детали после обработки.

Для проведения некоторых технологических процессов требуется создание специфических условий (например, подача в рабочую зону определенной технологической среды). Для этого в установках пре­дусматривают соответствующее устройство 10, позволяющее подавать инертный газ при проведении сварки.

В некоторых случаях в зону обработки вводят механическую или электромагнитную энергию, усиливающую эффективность лазерной об­работки. Проведение комбинированных процессов (газолазерной рез­ки, лазерно-искровой обработки отверстий и др.) обеспечивается источником вспомогательной энергии 6, вводимым в установку. Пе­ремещением обрабатываемой детали и положением лазера управляют программным устройством 1. Излучение контролируют датчиком 3, температуру зоны обработки, состояние поверхности обрабатываемой детали - датчиком 9, которым кроме того корректируют параметры или прекращают операцию.

Рис.7. Структурная схема лазер­ной технологической установки: 1 - программной устройство, 2 - лазер, 3 - датчик параметров излучения, 4 - лазерное излуче­ние, 5 - оптическая система, 6 – источник вспомогательной энергии, 7 - обрабатываемая де­таль, 8 - устройство для зак­репления и перемещения обраба­тываемой детали, 9 - датчик па­раметров технологического про­цесса, 10 - устройство подачи технологической среды