Промышленное применение лазеров

Рис. 2.10. Способы транспортировки лазерного излучения: а - система зеркал; б - линзовый коллиматор; в - волоконнооптический световод

В лазерном технологическом комплексе излучение может пода­ ваться по световодам к различным рабочим местам последовательно или параллельно для выполнения операций резки материала, про­ шивки отверстий, сварки, упрочнения, локального легирования и т.п. Это значительно упрощает транспортировку излучения и повышает производительность процессов обработки. Можно управлять лазер­ ным излучением с помощью руки антропоморфного робота. Лазер­ ный луч может служить одним из инструментов в составе обрабаты­ вающего центра. Большие возможности имеются для встраивания лазерного технологического оборудования в гибкое автоматизиро­ ванное производство. В настоящее время практически все современ­ ные зарубежные ЛТУ с твердотельными лазерами используют со­ вместно с волоконно-оптическими световодами и выполняют, как правило, на базе высокоточных промышленных роботов.

в ближнем инфракрасном диапазоне (ИК-диапазоне), что, во-первых, делает возможным фокусировку излучения в пятно меньшего размера, чем излучение С()2-лазера (величина дифракционного кружка пропор­ циональна длине волны излучения), а во-вторых, позволяет применять оптические формирующие системы из традиционных материаловоптических стекол, что значительно снижает их стоимость.

Однако средняя мощность излучения даже лучших твердо­ тельных лазеров ограничена малыми линейными размерами синте­ тических кристаллов и низкой теплопроводностью, затрудняющей охлаждение активных элементов. В настоящее время из-за относи­ тельно невысоких энергетических характеристик и сложности вы­ ращивания качественных кристаллов рубиновые лазеры в техноло­ гии обработки материалов используют редко, а в машиностроении - практически не применяют.

У жидкостных лазеров активный элемент кювета, заполнен­ ная активной средой. Для получения инверсной населенности в лазе­ рах на красителях используют оптическую накачку либо с помощью импульсных газоразрядных ламп, либо с помощью лазеров.

По типу активной среды жидкостные лазеры делят на лазеры на неорганических растворах и лазеры на органических красителях.

Первая группа представляет собой лазеры, использующие рас­ творы солей редкоземельного элемента неодима в неорганических жидкостях. Их можно считать аналогами твердотельных лазеров, ис­ пользующих стекло с примесью неодима.

Вторая ipynna использует молекулы органических красителей (родамин, кумарин и другие соединения, которые сильно поглощают свет в определенных диапазонах видимых длин волн). Структура мо­ лекулы красителя содержит бензольные (С6Н6), пиридиновые (С6Н5М), азотные (C4H4N2) и другие кольцевые структуры. Энергетическая структура такой молекулы содержит большое число колебательно­ вращательных подуровней, которые присутствуют как в основном со­ стоянии молекулы, так и в возбужденном. Работа жидкостных лазеров на основе молекул органических красителей осуществляется по четы­ рехуровневой системе.

Большим достоинством таких лазеров является возможность получения с их помощью генерируемых волн различных длин от ультрафиолетовых до ближних инфракрасных. Для этого надо ис­ пользовать различные типы красителей. Активная среда, которой является раствор органических красителей в воде или спиртах, легко приготавливается и заменяется, накачка осуществляется, как прави­ ло, азотным УФ-лазером. Лазеры на красителях незаменимы в тех случаях, когда необходимо получить когерентное излучение с задан­ ной длиной волны. Монохроматическое излучение можно пере­ страивать в широкой области спектра - от ближнего ультрафиолета (0,34 мкм) до ближней инфракрасной области (11.75 мкм)- простой заменой кюветы с красителем.

Использование жидкостных лазеров в качестве основы актив­ ной лазерной среды достаточно перспективно, поскольку в этом слу­ чае реализуется целый ряд достоинств по сравнению с другими сре­ дами. К таким преимуществам можно отнести: легкость получения активной среды с требуемыми характеристиками, простота измене­ ния ее состава, возможность прокачки среды для поддержания ее в высокоэффективном состоянии, легкость охлаждения при большой мощности генератора, оптическая однородность и т.д.

Однако подобрать жидкость в качестве основы активной среды, удовлетворяющей таким требованиям, как интенсивная флуоресценция с большим квантовььм выходом на рабочем переходе, широкие полосы поглощения энергии накачки, отсутствие потерь на частоте рабочего перехода, достаточно сложно. Многочисленные исследования различ­ ных жидкостей позволили реализовать лазерную генерацию лишь в относительно небольшом их количестве, при этом лазеры на указан­ ных средах, как правило, уступают по своим рабочим характеристикам твердотельным лазерам, за исключением жидкостных лазеров на орга­ нических красителях. Эти лазеры не имеют аналогов сточки зрения возможности плавной перестройки длины волны генерации в очень ши­ роком диапазоне - во всей видимой области спектра, включая ближний ультрафиолетовый и инфракрасный диапазоны. Перестройку частоты излучения можно осуществлять за счет введения внутрь резонатора

призм, дифракционных решеток, фильтров и других, специальных час­ тотно-селективных элементов. При этом реализуется излучение с очень высокой монохроматичностью, достигающей 1-И,5 МГц. Лазеры на органических красителях, работающие в непрерывном и импульсном режимах, имеют энергию в импульсе до нескольких сотен джоулей и мощность в десятки ватт в непрерывном режиме. Коэффициент по­ лезного действия лазеров на органических красителях достигает десят­ ков процентов при лазерной накачке: 25-КЗО % и 1 % при использова­ нии в качестве накачки импульсных ламп. Мощность излучения в непрерывном режиме порядка нескольких ватт, а в импульсном - нескольких мегаватт при длительности импульса порядка 20 нс и частоте повторения до 200 Гц, перекрытие диапазона длин волн от 0,34 до 1,17 мкм при подборе различных красителей. Расходимость выходного лазерного излучения составляет 2-^-5 мрад. Диапазон пере­ стройки для каждого из красителей равен 40^-80 нм. Ширина спектра лазерного излучения равна примерно 10 нм при отсутствии диспер­ гирующих элементов внутри резонатора.

Ввиду малой мощности (100^200 мВт, в некоторых случаях до 1 Вт) указанный тип лазера пока используется .лишь для исследова­ тельских целей. Однако при увеличении скорости прокачки жидко­ сти и использовании больших рабочих объемов растворов имеются перспективы для создания лазеров большей мощности.

2.3.2. Газовы е лазеры

Газовые лазеры - наиболее широко используемый тип лазеров. Среди различных типов газовых лазеров можно найти такой, кото­ рый будет удовлетворять почти любому требованию.

Особенности газовых лазеров большей частью обусловлены тем, что они, как правило, являются источниками излучения атомных или молекулярных спектров. Поэтому длины волн переходов точно из­ вестны. Они определяются атомной структурой и практически не за­ висят от условий окружающей среды. В настоящее время газовые ла­ зеры обладают монохроматичностью лучшей, чем в любом другом

приборе. Генерация может быть осуществлена в любой части оптиче­ ского диапазона - от ультрафиолета (~ 200 нм) до далекой инфракрас­ ной области (~ 0,4 мм), частично захватывая микроволновую область.

Разреженность рабочего газа обеспечивает оптическую однород­ ность среды с низким коэффициентом преломления, что позволяет при­ менять простую математическую теорию доя описания структуры мод резонатора. Газовая среда обладает высокой однородностью по сравне­ нию с другими талами лазеров, поэтому в газовых лазерах можно полу­ чать наименьший угол расходимости лазерного луча (порядка минуты без всяких дополнительных коллимирующих устройств).

По характеру используемой среды и частично по особенностям механизма образования инверсной населенности газоразрядные лазе­ ры можно разделить на атомарные (He-Ne), ионные {Аг), молеку­ лярные (СО2), лазеры на парах металлов (Си). Активный элемент га­ зовых лазеров представляет собой кювету, заполненную активной средой (как правило, смесью различных газов). Частицы одного из веществ используют доя создания инверсии, а частицы других - для возбуждения первых частиц.

Лазер на нейтральных атомах является, главным образом, гене­ ратором инфракрасного и красного излучения, поскольку для ней­ тральных атомов энергия, соответствующая лазерным переходам, составляет обычно 1+2 эВ. Атомарные лазеры, за исключением неонгелиевого лазера, работающего в диапазоне видимого света, дают генерацию в инфракрасном диапазоне длин волн.

В ионных газовых лазерах энергия излучения квантов значи­ тельно больше 2+5 (и более) эВ. Ионные лазеры, использующие пе­ реходы между уровнями энергии ионизированных газов, таких как аргон, пары кадмия, селена, ртути и др., дают генерацию в основном в области видимого света и являются основными источниками излу­ чения синего и зеленого цветов и ультрафиолетовых линий.

В молекулярных лазерах используются колебательные и враща­ тельные энергетические состояния, энергия которых составляет со­ тые и десятые доли электронвольта, поэтому они излучают в инфра­ красном и субмиллиметровом диапазонах длин волн.

По способу накачки газовые лазеры разделяют на газоразрядные (накачку осуществляют' с помощью электрического разряда, возникаю­ щего при прохождении электрического тока через газ), газодинамиче­ ские (инверсия осуществляется за счет охлаждения газа при его истекании с большой скоростью из камеры высокого давления) и химические (инверсия достигается в результате химических реакций).

Излучатели непрерывных и импульсных газовых лазеров состо­ ят из резонатора, между зеркалами которого расположена газораз­ рядная трубка, через которую прокачивается газовая смесь, или за­ полненная газовой смесью и запаянная. В трубку впаяны (или вмон­ тированы) металлические электроды. Зеркала могут располагаться внутри трубки и вне ее.

Свойства газовых лазеров зависят от давления, природы газа, взаимного расположения и времени жизни атомарных и молекуляр­ ных уровней энергии, а также от энергии и плотности электронов, размеров объема, где расположен газ, от способа подведения энергии и ряда других факторов. Можно указать следующие механизмы соз­ дания инверсии в газовых лазерах: неупругие столкновения частиц 1-го и 2-го рода в газовом разряде, оптическая накачка, диссоциация молекул, фотодиссоциация. В большинстве случаев в газовых лазе­ рах накачка осуществляется за счет газового разряда, создаваемого

вактивной среде, где располагаются электроды.

Вотличие от твердотельного излучателя, где концентрация час­ тиц в лазерном веществе составляет N ~1017-Л02° в см3, в газовой среде она намного меньше N ~1013-Л018 в см3, поэтому значительные мощности излучения достигаются лишь при больших длинах газо­ разрядных трубок.

Для технических целей в настоящее время в основном приме­ няют два типа газовых лазеров: с диффузионным и конвективным охлаждением газовой среды. Лазеры с диффузионным охлаждением могут быть отпаянные или прокачные (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Типы газовых лазеров: а - отпаянный;

б- прокачной с продольной прокачкой; в - прокачной

споперечной прокачкой

Отпаянный лазер создан одним из первых среди газовых. Ак­ тивная среда (смесь газов) заключена в запаянной стеклянной трубке (капсуле), по торцам которой расположены зеркала резонатора. Кап­ сула имеет определенный срок службы, после истечения которого заменяется новой.

В качестве блока накачки используется источник высокого на­ пряжения постоянного или переменного тока. Напряжение с блока питания через систему электродов подается непосредственно на раз­ рядную трубку с активной средой. Активная среда может быть также возбуждена с помощью высокочастотного импульсного блока накач­ ки. Мощность такого лазера обычно зависит от объема (длины) лазер­ ной полости и колеблется от 0,1 до 0,5 кВт. С 1 м лазерной полости в среднем может быть получена мощность не более 0,05 кВт. Поэтому с увеличением мощности неизбежно возрастают габариты лазера.

Прокачной лазер имеет более совершенную конструкцию, бла­ годаря чему съем мощности с 1 м лазерной полости и срок службы этого лазера выше, чем отпаянного. Газовая смесь в разрядном про­ межутке постоянно возобновляется, поэтому прокачные лазеры имеют большие габариты, так как снабжены системой откачки и по­ дачи рабочего газа. С помощью системы откачки в полости лазера создается необходимое разрежение (вакуум порядка 13,3 Па). В сис­ тему подачи рабочего газа обычно входят смеситель газов и насос для заполнения разрядной трубки газовой смесью (иногда использу­ ется заранее приготовленная смесь).

В прокачном лазере мощность излучения также пропорцио­ нальна длине разрядной трубки. Поэтому при значительной мощно­ сти лазера для снижения габаритов установки газовую трубу делают секционной (коленчатой). Однако такое решение приводит к возрас­ танию потерь в результате увеличения отражающих поверхностей в резонаторе. Так, для получения выходной мощности 8,8 кВт общая длина лазерной полости достигает 200 м, а при 15-секционном ис­ полнении лазера его КПД = 15^-30 %.

У лазеров с конвективным охлаждением среда прокачивается с большой скоростью через объем разряда (резонатора) мощным ком­ прессором. Скорость прокачки среды выбирается такой, чтобы время пребывания молекулы в объеме резонатора составляло примерно 1(Г3 с. Активная среда может прокачиваться вдоль оси резонатора у лазеров с осевой (продольной) прокачкой (см. рис. 2.11,6) или перпендикулярно к ней - у лазеров с поперечной прокачкой (см. рис. 2.11, в). В конвек­ тивных лазерах с осевой прокачкой скорость среды составляет 200 м/с, а с поперечной - 30 м/с. Это обусловлено тем, что во втором случае размеры резонатора (диаметр лазерного пучка) значительно меньше, чем в первом. Применение конвективного охлаждения позволяет уве­ личить удельную мощность с единицы длины в лазерах с осевой про­ качкой в 10 раз, с поперечной - в 100.

Газовые лазеры с поперечной прокачкой являются более эф­ фективными, чем с осевой. В таких лазерах обеспечивается настоль­ ко бысгрое прохождение рабочего газа через разрядный промежуток, что он не успевает нагреваться под действием тока разряда до крити­ ческих температур, а это дает возможность увеличить энергию воз­ буждения активной среды и таким образом повысить мощность ге­ нерируемого лазерного излучения.

Обычно эти лазеры работают на смеси газов - СО2 + Не + N2. Гелий является очень дорогостоящей и дефицитной составляющей, поэтому изыскиваются новые безгелиевые рабочие смеси (например, С02 + N2 + Н20, С02 4- N2 + воздух и др.). Тем не менее все эти лазе­ ры принято называть лазерами на С02 или С02-лаэеры.

Гелий-неоновый лазер Первым газовым лазером непрерывного действия был лазер,

в котором в качестве активной среды использовалась смесь двух га­ зов - гелия и неона.

Газовый лазер на смеси неона и гелия является в настоящее вре­ мя одним из самых популярных и распространенных. Газовая смесь помещается в электрический разрядник, а накачка осуществляется пу­ тем неупругих столкновений атомов Не и Ne с электронами, разгоняе­ мыми высоким напряжением. Отношение парциального давления ге­ лия Не и неона Ne обычно составляет величину Рне/Рые 5-45. Инду­ цированное излучение создается атомами неона, а атомы гелия облегчают получение инверсной населенности в неоне.

Схема гелий-неонового лазера показана на рис. 2.12.

Рис. 2.12. Конструкция гелий-неонового лазера

Разрядная трубка 1 закрыта с торцов окнами 2, установленными под углом Брюстера к оптической оси. Это делается для уменьшения потерь на отражение, так как коэффициент усиления невелик и со­ ставляет всего порядка 2 % на метр для X = 0,63 мкм. Из-за такой ус­ тановки торцевых окон условия генерации выполняются только для