Промышленное применение лазеров

денного газа. Для решения этой задачи необходимо повысить давле­ ние газа. При этом энергия электронов в разряде тратится, вопервых, на создание проводимости плазмы (на ионизацию) и, вовторых, на возбуждение активных частиц газа. Однако оптимальные значения энергии электронов, необходимые для выполнения каждой из этих функций, получаются различными, что существенно умень­ шает эффективность системы. Для раздельного выполнения этих функций (ионизации и возбуждения) с целью повышения эффектив­ ности системы применяется электроионизационный метод, который состоит в том, что в область разряда дополнительно впрыскивается поток электронов, служащих для ионизации атомов газа, т.е. для соз­ дания проводимости плазмы. При этом напряжение на электродах можно уменьшить с тем, чтобы оно стало оптимальным для возбуж­ дения атомов газа.

В устройстве, использующем электроионизационный метод, че­ рез отверстие в катоде разрядного промежутка в область между элек­ тродами разряда поступают электроны, идущие из вакуумного объема, отделенного от области разряда, в которой давление близко к атмо­ сферному, тонкой алюминиевой фольгой. Электроны, созданные элек­ тронной пушкой или системой пушек, бомбардируют эту фольгу с высокой энергией (~ 100 кэВ) и проникают через нее в область раз­ ряда, имея скорости, оптимальные для ионизации. Так как система работает в импульсном режиме, фольга не успевает сгореть. Специ­ альные зеркала образуют в разрядном промежутке резонатор ФабриПеро, причем одно из зеркал выпускает кванты генерации.

Фотоионизационный метод отличается от электроионизационного тем, что ионизация в разрядном промежутке осуществляется внешним облучением светом, а не быстрыми электронами.

Газодинамический метод получения инверсной населенности был предложен советскими физиками В.К. Конюховым и А.М. Про­ хоровым в 1966 г. Идея его состоит в следующем. Если газ, состоящий из атомов или молекул, имеющих трехуровневую систему (рис. 2.3), В которой вероятность /221 спонтанного перехода 2—>1 значительно

больше вероятности Л 31 спонтанного перехода 3—>1 и больше веро­ ятности А 32 перехода 3-»2 , нагреть, то число возбужденных молекул «2, находящихся на уровнях 2, будет больше, чем число молекул «з, находящихся на уровнях 3, т.к. £3 > Ег.

Однако если затем этот газ быстро охладить, то на уровнях 3 задержится больше молекул, чем на уровнях 2 из-за того, что А21» А з1, А21»А з2, и в течение некоторого времени будет создана ин­ версная населенность на переходе 3 2.

На рис. 2.3 показано изменение во времени т, прошедшем после момента охлаждения газа, числа возбужденных молекул, находящих­ ся на уровнях 3 (из) и 2 («г)- Видно, что при х>х\щ > пг.

Рис. 2.3. Процессы создания инверсной населенности газодинамическим методом

Газодинамические лазеры в настоящее время позволяют полу­ чать непрерывную мощность порядка 500 кВт.

Плазменные методы получения инверсной населенности осно­ ваны на том, что в холодной плазме (в отличие от горячей газоразряд­ ной плазмы) электроны имеют малые скорости и поэтому интенсивно рекомбинируют с ионами в объеме. При этом они занимают верхние незаполненные уровни энергии атома и таким образом образуют воз­ бужденные на верхнем уровне атомы, создавая по отношению к ниж­ ним уровням возбуждения инверсную населенность.

По способам реализации плазменные (рекомбинационные) ла­ зеры разделяются на импульсные, электронно-пучковые, сядерной накачкой, плазмодинамические и плазмохимические.

В импульсных лазерах генерация осуществляется после оконча­ ния прохождения мощного импульсного разряда в газе, состоящем из смеси рабочего и буферного газа, причем последний служит также и для быстрого охлаждения электронов в то время после свечения разряда, когда осуществляется лазерная генерация. (Примером могут служить лазеры на ионизированных парах щелочно-земельных ме­ таллов: Mg, Са, Sr, Ва.)

В электронно-пучковых лазерах и лазерах сядерной накачкой в холодный рабочий газ извне вводится либо пучок быстрых ионизи­ рующих газ электронов, либо ионизирующие газ осколки ядерных ре­ акций, получаемые из стационарных ядерных реакторов или при спе­ циально созданных ядерных взрывах (именно последним способом пытаются реализовать лазер, генерирующий рентгеновские лучи).

В плазмодинамических лазерах генерация осуществляется в уча­ стках охлаждения свободно движущейся плазменной струи, предвари­ тельно образованной с помощью газового разряда. При этом струя может быстро охлаждаться за счет расширения, плотность ее может увеличиваться путем сжатия в продольном магнитном поле, либо внешнем, либо реализуемом за счет пинч-эффекта и др.

Плазмохимические лазеры характеризуются различными хими­ ческими способами очищения нижнего рабочего уровня.

Одной из основных проблем в плазменных и в газоразрядных методах получения инверсной населенности является проблема очи­

щения нижнего рабочего уровня. Существует четыре основных ме­ ханизма такого очищения:

-за счет спонтанного перехода на нижний (или основной) уро­ вень энергии (радиационное очищение);

-за счет передачи энергии возбуждения нижнего уровня охла­

жденным свободным электронам плазмы путем столкновения

сними;

-за счет неупругих столкновений со специально добавленными примесными атомами газа, причем энергия возбуждения нижнего уровня может идти либо на резонансную передачу возбуждения со­ седнему атому примеси, либо на его ионизацию, либо на увеличение кинетической энергии его движения (удар второго рода);

-химическое, когда специально добавленные примесные ато­ мы активно вступают в химическую реакцию с атомами, находящи­ мися именно на нижних уровнях возбуждения, образуя новые моле­ кулы и таким образом уменьшая в объеме плазмы концентрацию ио­ нов на нижних уровнях.

2.3. Типы И КОНСТРУКЦИИ ЛАЗЕРНЫХ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Источником возникновения генерации в лазере является спон­ танное излучение возбужденных активных частиц. Спонтанно испу­ щенные кванты, проходя через активную среду, вызывают процессы вынужденного испускания, приводящие к когерентному усилению соответствующих этим квантам электромагнитных волн. При ограни­ ченных поперечных размерах среды и зеркал резонатора максимально усиливаются кванты, распространяющиеся вдоль оптической оси.

Лазер, используемый в технологических установках, должен обеспечивать генерацию излучения достаточной мощности, а также требуемый режим излучения и стабильность работы. Он должен об­ ладать удовлетворительными эксплуатационными характеристиками: достаточно большим сроком службы, высокой надежностью, мини-

мальными массой и габаритами, максимальной простотой конструк­ ции и обслуживания. В настоящее время разработаны и построены разнообразные технологические лазеры и технологические установ­ ки, однако степень их использования зависит не только от их пара­ метров, но и от уровня освоения в производстве, простоты эксплуа­ тации и т.п.

Внастоящее время в различных областях науки и техники в ос­ новном применяются четыре типа лазеров - твердотельные, жидко­ стные, газовые и.полупроводниковые. В основном в машинострои­ тельном производстве используют газоразрядные СОг-лазеры и твер­ дотельные лазеры на рубине, на стекле с неодимом (Ст: Nd) и на алюмоитгриевом гранате с неодимом (АИГ: Nd). Другие лазеры либо обладают невысокими мощностями или низким КПД, либо сложны

вэксплуатации.

2.3.1.Твердотельные и жидкостные лазеры

Втвердотельных лазерах активным веществом является ди­

электрик в конденсированной фазе, в котором генерирующие цен­ тры - специально введенные активные атомы. По принципу действия к лазерам на твердом теле очень близки жидкостные лазеры, в кото­ рых активным веществом являются жидкие диэлектрики с растворен­ ными в них примесями. Процессы в твердотельных и жидкостных ла­ зерах имеют много общего и, следовательно, оба типа лазеров целесо­ образно рассматривать вместе. Концентрация активных атомов обычно составляет единицы или доли процента от полного числа ато­ мов в среде, т.е. активное вещество в рассматриваемых типах лазеров представляет собой раствор или похожую на него среду слабой кон­ центрации, подобной идеальному газу.

Энергетические уровни отдельных атомов в твердом и жидком телах находятся в поле, создаваемом всеми остальными, близко рас­ положенными атомами, что приводит к существенному отличию энергетической структуры от уровней энергии изолированных ато­ мов. Это вызывает расщепление отдельных дискретных уровней

и превращение их в энергетические зоны или полосы. Особенно это характерно для уровней энергии, соответствующей внешним элек­ тронам в атоме.

Конструкция промышленного технологического твердотельно­ го лазера показана на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Структурная схема лазерной технологической установки: 1 - излучатель; 2 - источник питания;

3 - блок импульсной лампы; 4 - система охлаждения;

5 - устройство для дозирования энергии; 6 - оптическая система для фокусирования и наблюдения; 7- рабочий стол; 8 - система автоматической стабилизации выходной энергии; 9 - программирующее устройство

Главным устройством лазерной установки служит квантовый ге­ нератор (излучатель), основным конструктивным элементом которого является оптический резонатор с устройством вывода излучения.

Оптический резонатор должен обеспечивать высокие значения энергетической эффективности генерации излучения и оптического качества лазерного пучка.

являются жесткие требования по оптической однородности, разме­ рам, составу, поэтому технология выращивания кристаллов рубина является весьма прецизионной. Рубин отличается высокой химиче­ ской стойкостью, механической прочностью и высокой теплопро­ водностью. Эти качества и обусловили широкое использование ру­ бина в лазерных устройствах. Лазеры на рубине генерируют излуче­ ние в видимой (красной) области спектра длиной волны X = 0,6943 мкм. Вырастить кристаллы больших размеров трудно, поэтому диапазон диаметров стержней составляет: d = 3,5-46 мм, длин - / = 454240 мм. КПД лазеров на рубине лежит в пределах 0,1-Ю,5 %.

Помимо кристаллических матриц широко используются активные среды на основе стекол с примесью редкоземельных элементов, чаще всего Nd3+ Они генерируют излучение с длиной волны X = 1,06 мкм. Эти лазеры способны генерировать большую энергию в десятки джоулей в импульсе при длительности импульса 100 мкс и при низ­ ких частотах повторения. Стекла являются аморфными средами и по сравнению с рассмотренными ранее обладают более высокой опти­ ческой однородностью, технологичностью, возможностью изготов­ ления активных элементов больших размеров и возможностью вве­ дения примеси в необходимых для получения большой мощности концентрациях с равномерным распределением по объему. Кристал­ лические и аморфные матрицы хорошо дополняют друг друга. Длина активных элементов на стеклах может достигать 1 м с поперечным сечением более 500 см2 (диаметр примерно 25 см). С помощью таких элементов при большой концентрации активной примеси можно по­ лучать большую энергию импульсов (до нескольких тысяч джоулей). Однако величина снимаемой мощности с активных стеклянных сред ограничена низкой теплопроводностью стекол. С помощью стекол генерируют сверхкороткие световые импульсы длительностью до 5-КГ13 с мощностью в импульсе до 1013 Вт и более. К наиболее замет­ ным недостаткам стекол как активных элементов относятся: низкая теп­ лопроводность, высокий температурный коэффициент, ограниченная область оптической прозрачности (0,33^2,5 мкм), которая при введе­

нии примеси еще более сужается. КПД лазеров на стеклах выше, чем на гранатах, достигает значений порядка 8-^10 %.

Гораздо большими возможностями обладают твердотельные ла­ зеры на алюмоиттриевом гранате, легированном неодимом (КЗ % )- АИГ: Nd-лазеры. Они также генерируют излучение на длине волны

Х= 1,06 мкм. (АИГ:Ш-лазеры также могут излучать с меньшей вы­ ходной мощностью на длинах волн 0,532 мкм и 0,266 мкм, что ис­ пользуется в некоторых ЛТУ, например YAG 571C французской фирмы Quantel.)АИГ-лазеры также могут работать в режиме моду­

труднообрабатываемых материалов (алюминиевые сплавы, керамика и т.п.). Большая, чем у стекла термостойкость алюмоиттриевого гра­ ната позволяет осуществлять генерацию в непрерывном режиме, что более удобно для обработки материалов. В импульсно-периодиче­ ском режиме эти лазеры имеют среднюю мощность несколько сот ватт, а в непрерывном - до нескольких киловатт. КПД таких лазеров достигает 8 %.

Выращивание кристаллов большого размера для повышения выходной мощности твердотельного лазера очень дорого. Для дос­ тижения этой цели используют комбинацию из нескольких отдель­ ных кристаллических стержней, расположенных последовательно или параллельно внутри резонатора.

Для обеспечения работы излучателя необходимы также систе­ ма накачки и осветительная система, которые включают в себя блок поджига, лампу накачки и отражатель.

Система оптической накачки, обеспечивающая создание лазер­ ной генерации, содержит в общем случае лампу накачки и светоопти­ ческие элементы, концентрирующие лучистый поток, испускаемый лампой накачки, на активном элементе.

Для возбуждения активной среды в твердотельных лазерах применяется оптический метод накачки: с помощью интенсивного

света газоразрядных (для импульсного режима) или дуговых (для непрерывного режима) ламп.

Лампы накачки могут иметь различное конструктивное испол­ нение (рис. 2.6).

а б в г

Рис. 2.6. Системы накачки в лазерных установках: а - со спиральной лампой-вспышкой: 1 - отражатель; 2 - лампа-вспышка; 3 - лазерный кристалл;

б - с линейной лампой накачки и эллиптическим отражателем: 1- лазерный кристалл; 2 - поверхность отражателя сзеркальным покрытием; 3 - источник света: 4 - фокусы эллипса;

в, г - с двумя или четырьмя линейными лампами с двумя или четырьмя эллиптическими отражателями: 1 - кристалл; 2 - отражатель; 3 - лампа

Вкачестве системы накачки используются:

-спиральная лампа, окруженная отражателем, на оси которого находится лазерный стержень. Преимущество: простая конструкция при равномерном освещении. Недостаток: необходимы высокие мощ­ ности накачки, поскольку свет равномерно распределяется в про­

странстве отражателя и не концентрируется на лазерном стержне. С такой системой накачки работали первые твердотельные лазеры;

внастоящее время такие системы накачки применяются редко;

-стержневая лампа на фокальной линии эллиптического отра­ жающего цилиндра, на другой фокальной линии которого находится лазерный стержень; на эллиптический цилиндр наносится зеркальное покрытие. Потери при отражении незначительны, если нанести по­ лированное покрытие из Ag или А1; две или несколько стержневых