4.5.2. Просветляющие покрытия

Однослойные просветляющие покрытия с показателем преломления и толщиной могут снизить коэффициент отражения подложки с показателем преломления до значения

, (4.60)

где — показатель преломления внешней среды. Если деталь работает в воздушной среде , то очевидно

. (4.61)

Отражение почти полностью устраняется однослойным просветляющим покрытием с .

На практике такое покрытие реализуется лишь на материале с большим показателем преломления , т.к. наименьшим показателем преломления обладает покрытие из ( ). В результате обычные оптические стекла ( ) просветляются до .

Просветляющие покрытия наносятся на тыльную сторону проходного зеркала и на выходные торцы А.Э.

Просветлением называется процесс нанесения тонких пленок на поверхности оптических деталей с целью уменьшения отражения света от их поверхностей. В этих тонких пленках происходит явление интерференции. Толщину пленки приближенно определяют по формуле

, (4.62)

где — длина волны; — показатель преломления пленки; k = 0; 1; 2 и т.д. — постоянное число.

Толщина пленки обычно составляет около четверти длины волны света. Показатель преломления пленки

.

Эффективность нанесения просветляющих слоев легко проследить по формуле

. (4.63)

Если и , то R=0,053, а если и , то R=0,00866.

Значимость просветления заключается не только в том, что уменьшаются потери света на отражение, но и в том, что отраженные лучи в пленке в соответствии с законами интерференции гасят друг друга, тем самым уменьшая вредный рассеянный свет.

4.6. Источники оптической накачки

Накачка — процесс возбуждения активной среды квантовых усилителей и генераторов. В результате накачки нарушается равновесное распределение микрочастиц среды (электронов, ионов, атомов, молекул) по уровням их энергии.

Посредством накачки среда переводится из состояния теплового равновесия, когда она поглощает излучение, в активное состояние, характеризующееся инверсной населенностью, когда она может генерировать электромагнитное излучение. Нарушение устойчивого термодинамического состояния всегда сопряжено с энергетическими затратами, поэтому для осуществления накачки требуются соответствующие источники энергии.

Оптическая накачка (О.Н.) — метод накачки активной среды лазеров с помощью внешнего источника оптического излучения.

Преимущества О.Н.:

— универсальность — применима для всех видов активных сред;

— спектральная избирательность;

— возможности возбуждения высококонцентрированных сред (твердые, жидкие).

Недостатки О.Н.:

— низкая эффективность (общий к.п.д. 1-10 %);

— малая долговечность источников накачки.

4.6.1. Основные требования к источникам о.Н.

Основные требования к источникам О.Н.:

— совпадение спектров излучения и поглощения;

— максимальная светоотдача (максимальный к.п.д.);

— высокая надежность;

— минимальные габариты, вес и стоимость.

В качестве генераторов оптической накачки Т.Т.Л. используют высокоэффективные источники света:

— электрические лампы;

— пиротехнические лампы;

— дополнительные лазеры.

Пиротехнические лампы не получили широкого распространения из-за сложностей в эксплуатации.

Очень эффективна О.Н. с помощью другого лазера,. т.к. возможно хорошее согласование полос излучения и поглощения излучения обоих лазеров. Поскольку лазерные источники отличаются высокой яркостью и монохроматичностью, эффективность такой накачки очень высока, если сравнивать энергетические характеристики обоих излучений.

С другой стороны низкий к.п.д. лазеров накачки резко снижает общий к.п.д. системы, и такая накачка не нашла широкого применения из-за низких энергетических параметров системы в целом.

?

Наибольшее распространение получили электрические лампы. Из электрических ламп в качестве источников накачки Т.Т.Л. используются галогенные лампы и некоторые типы газоразрядных ламп.

Для уменьшения тепловых потерь, связанных с увеличением температурs колбы лампы, которая необходима для реализации йодного цикла, вместо йода стали вводить

бром (Br).

Галогенный цикл у ламп этой серии проходит при Т~300 . Однако ввиду высокой химической активности паров брома колбы таких ламп по-прежнему изготавливаются из плавленого кварца. Срок службы после этого увеличивается до 2-3 тыс. часов.

Основным недостатком лампы накаливания, как источника оптической накачки, является сравнительно низкая цветовая температура (~3000-3400 К). Последнее обусловлено температурой плавления вольфрама.

Цветовой температурой называется температура абсолютно черного тела, при которой относительные распределения спектральной плотности яркости этого тела и рассматриваемого максимально близки в видимой области спектра.

Приемлемую эффективность накачки этот тип ламп обеспечивает лишь для лазеров И.К. диапазона.

Второй существенный недостаток - сравнительно маленькая мощность: при диаметре 5 мм на каждый кВт потребляемой мощности требуется 25 мм длины вдоль оси лампы (трубчатой). Форма колбы у таких ламп трубчатая и шаровая.

Поэтому, несмотря на свою дешевизну и отсутствие принудительного охлаждения, эти лампы применяются все в меньшей степени.

22.1.

диапазоне в н.в. время используют все меньше и меньше. Основная причина это их оптическая неоднородность, невысокая фотохимическая способность и некоторые имеют повышенный ТКЛР.

Оптические системы, используемые в технологии лазерной обработки.

В любой лазерной технологии основной задачей является обеспечение относительного перемещения луча и обрабатываемой детали. Эта задача может быть решена двумя способами:

перемещением лазерного луча относительно неподвижной детали

перемещение обрабатываемой детали относительно неподвижного лазерного луча

Первое решение используется для обработки массивных тяжелых деталей, второе для

малогабаритных и миниатюрных деталей.

Возможна комбинация обоих решений.

Схема обработки неподвижных деталей по любому заданному контуру может быть реализована в простейшем случаи с помощью двух неподвижных зеркал.

а)

б)

Системы перемещения луча двумя зеркалами: а) перемещением зеркал; б) угловыми поворотами зеркал.

1 – лазер; 2,3 – плоские зеркала; 4 – фокусирующая система; 5 – обрабатываемая деталь.

22.3

В различных технологиях лазерной обработки возникает необходимость перемещения луча по траектории окружности. В ряде случаев для этого достаточно направить луч на вращающееся плоское зеркало, установленное под углом к оси луча или использовать комбинацию плоских зеркал в фокусирующей системе.

Для получения кольцевых зон обработки на плоскости можно применять аксиконы в виде прозрачных конусов, обращенных основанием к лучу.

Схема преобразования излучения круглого сечения в излучение кольцевого сечения.

1-аксикон; 2-линза; 3-обрабатываемая деталь; 4-лазерное излучение.

Полученное таким образом кольцевое излучение далее проходит через фокусирующую систему для увеличения концентрации энергии за счет уменьшения ширины кольца на обрабатываемом изделии. Обработка детали может быть выполнена за один импульс без перемещения луча или деталей. Однако это устройство имеет пониженную плотность энергии в следствии ее распределения по кольцу. Поэтому такой способ развертки луча рекомендуется для термообработки кольцевых участков, где требуемые плотности мощности меньше несколько ниже, чем для размерной обработки и сварки.

Система для обработки поверхностей цилиндрических деталей.

1-излучение; 2,3-зеркала; 4-деталь; 5-линза; 6-зеркало.

Для обработки поверхностей цилиндрических деталей может быть использовано устройство изображенное на рисунке. Зеркало 2 имеет внешнюю отражающую поверхность, а зеркала 6 и 3 внутреннюю. Зеркала 2 и 6 преобразуют исходное излучение сплошного или кольцевого сечений в кольцевое большего диаметра. Сфокусированное линзой 5 лазерное излучение 1 после отражения зеркалом 3 попадает на обрабатываемую деталь 4.

Обработка осуществляется сразу по всей кольцевой поверхности детали. Перемещением линзы вдоль оси можно регулировать плотность энергии на поверхности детали. Недостаток тот же, что и в предыдущей схеме – распыление энергии по поверхности детали.

В ряде случаев для увеличения производимости процесса, на изделие необходимо создать вытянутое пятно нагрева. С помощью цилиндрической линзы лазерное излучение можно сфокусировать в линию.

Вытянутое пятно может быть получено также путем установки фокусирующей линзы со смещением оптической оси по отношению к оси лазерного излучения в направлении перемещения деталей при обработке.

22,5

Газоразрядные лампы.

Наибольшее распространение получили в качестве источников оптической накачки газоразрядные лампы.

Газоразрядные лампы предназначены для получения излучения в результате разряда в газах, парах веществ или их смесях.

Г.И.С., как правило, имеют плотную оболочку из кварцевого стекла, тугоплавкого стекла, сапфира или другого прозрачного для света материала, через которую выходит излучение. В оболочку вмонтированы (впаяны) металлические электроды, между которыми происходит разряд.

В отличие от обычных ламп накаливания Г.И.С. обладают следующими особенностями:

- спектр излучения охватывает диапазон с длиной волны от долей мкм до единиц мкм;

- спектр излучения может быть непрерывным, сплошным для большого диапазона или дискретным (отдельные спектральные линии соответствуют определенным длинам волны)

- излучение может генерироваться непрерывно во времени, либо в виде отдельных повторяющихся импульсов (световых вспышек) с частотой до нескольких кГц и длительностью от до .

Сейчас создано огромное число газоразрядных ламп, их различают:

- по составу газов, паров;

- по типу разряда: дуговой, тлеющий, импульсный, ВЧ;

- по рабочему давлению (Н.Д. и В.Д.);

- по режиму работы: импульсный, непрерывный;

- по материалу баллона (сапфир, стекло, кварц);

- по форме колбы: трубчатые, шаровые, спиральные, полостные;

- по способу охлаждения (естественное, принудительное, воздушное или жидкостное).

Эффективность преобразования энергии в оптическое излучение в Г.И.С.

достигает 70%.

Доля полезного излучения (совпадающая с полосой поглощения активного элемента лазера) составляет 15-20%.