Металлургические машины и оборудование расчет основных параметров лазерного технологического оборудования. Учебное пособие

пропорциональна интенсивности индуцирующего излучения и, как указывалось выше, одинакова для обоих направлений.

Поскольку переход на верхний уровень сопровождается поглоще- нием, а переход на нижний уровень – излучением кванта энергии hν21, полная скорость поглощения энергии приходящего сигнала, или поглощаемая мощность, определяется как

Иными словами, именно разность заселенностей n1 – n2 определя- ет поглощение мощности сигнала. При тепловом равновесии отно- шение населенностей двух энергетических уровней всегда описыва- ется больцмановским соотношением, согласно которому населен- ность верхнего уровня всегда меньше населенности нижнего уровня

(рис. 1.2).

Рис. 1.2. Качественная диаграмма распределения заселенностей уровней при тепловом равновесии

Если разность энергий уровней велика по сравнению с вели- чиной kT, что справедливо для энергетических уровней при комнат- ной температуре, то второй уровень имеет гораздо меньшую засе- ленность, чем первый уровень.

Во всяком случае, при тепловом равновесии разность населенно- стей n1 – n2 всегда положительна, что, согласно формуле (1.3), при- водит к результирующему поглощению мощности. Система атомов, находящихся в тепловом равновесии, всегда ослабляет поступающий в нее сигнал, соответствующий переходу между энергетическими уровнями.

11

Но если каким-то способом так изменить населенности уровней, чтобы мгновенная населенность n2 верхнего уровня оказалась боль- ше, чем n1 (рис. 1.3), то разность населенностей n1 – n2, а также опре- деляемая формулой (1.3) поглощаемая мощность станут отрицатель- ными. Отрицательное поглощение мощности означает, что энергия передается уже не от сигнала к атомам, а наоборот от атомов к сиг- налу. Индуцированное излучение атомов преобладает над индуциро- ванным поглощением, и результирующая излучаемая энергия пере- дается сигналу; иными словами, сигнал усиливается. Это усиление и является основополагающим процессом в лазерах.

Рис. 1.3. Качественная диаграмма распределения заселенностей уровней при инверсной заселенности энергетических уровней атомов

Существует ряд различных способов, с помощью которых можно обеспечить отрицательную разность, или инверсию населенностей (см. рис. 1.3). Однако в любой реальной системе протекают те или иные релаксационные процессы, которые всегда стремятся нарушить инверсию населенностей и через какое-то время возвращают систему к тепловому равновесию. К числу таких релаксационных процессов относится, в частности, уже упоминавшееся выше спонтанное излу- чение. Основная проблема при разработке лазера как раз и состоит в том, чтобы создать отрицательную разность населенностей и по воз- можности непрерывно ее поддерживать (чему препятствуют релак- сационные процессы).

Те же процессы можно разобрать и с позиции классической физи- ки: в каждой области пространства, заполненной средой с известны- ми оптическими свойствами, скорость изменения (нарастания или ослабления) электромагнитной энергии пропорциональна самой энергии, т.е. числу фотонов в этой области. Такая закономерность приводит к экспоненциальному закону изменения интенсивности электромагнитной волны I с расстоянием z, пройденным волной в

12

веществе (рис. 1.4). В случае инверсной заселенности среды вход электромагнитной волны осуществляется слева, а в случае равновес- ной среды нужно рассматривать ввод волны справа:

где I0 – интенсивность входящей волны;

α– коэффициент квантового усиления вещества.

Вслучае активной среды на расстоянии z = 1/α интенсивность возрастает в е раз; α имеет размерность см–1 и зависит от разности населенностей обоих уровней и вероятности вынужденных перехо- дов между ними:

где h – постоянная Планка; c – скорость света;

ν – частота перехода излучения; Δν – ширина линии излучения; d – дипольный момент перехода;

n – разность заселенностей уровней перехода;

Из анализа формулы (1.5) ясно, что активное вещество усиливает тем лучше, чем больше частота, дипольный момент и разность засе- ленностей, а также чем меньше ширина спектральной линии Δν.

Рис. 1.4. Качественная зависимость изменения амплитуды электромагнитного излучения в среде

Также понятно, что у различных активных сред, коэффициент усиления может сильно различаться, т.е. для усиления мощности из- лучения, например в 2 раза, в разных средах, в соответствии с фор- мулой (1.5), излучение должно пройти различный путь. Для активной

13

среды с малым коэффициентом усиления путь луча для возрастания мощности даже на единицы процентов может составлять километры. Технически обеспечить такую протяженность активной среды не представляется возможным. На практике достаточное усиление по- лучается путем многократного использования одной и той же среды посредством системы из двух зеркал, задача которых возвращать из- лучение в активную среду.

1.3. Способы накачки (создания инверсной заселенности)

Оптический способ накачки – поглощение активной средой све- тового потока от внешнего источника некогерентного излучения: лампы-вспышки и др. При поглощении света, атомы активной среды переходят на энергетические уровни, расположенные выше верхнего лазерного уровня. Затем, после череды безызлучательных переходов, большая часть атомов оказывается в энергетическом состоянии, ко- торое соответствует верхнему лазерному уровню, а так как нижний лазерный уровень в этот момент заселен недостаточно густо, то воз- никает инверсия заселенности, т.е. активная среда подготовлена. Лампа-вспышка должна иметь такой спектр излучения, чтобы воз- буждение нижнего уровня было минимальным, а возбуждение уров- ней выше верхнего лазерного – максимальным. На практике сложно подобрать идеальную вспышку для данной активной среды, поэтому данный метод имеет ограниченное применение в основном для твер- дотельных лазеров на основе ионов неодима и хрома (Nd:YAG и ру- биновый).

Газоразрядный способ накачки заключается, как следует из его названия, в создании электрического разряда в активной среде, со- стоящей из атомов в газообразном состоянии: электроны под дейст- вием электрического поля набирают достаточную кинетическую энергию, которую при столкновении передают атомам, вынуждая их перейти на высокий энергетический уровень. Затем, после череды безызлучательных переходов, большая часть атомов оказывается в энергетическом состоянии, соответствующем верхнему лазерному уровню, а так как нижний лазерный уровень в этот момент заселен недостаточно густо, возникает инверсия заселенности, т.е. активная среда подготовлена. Организуя электрический разряд, необходимо позаботиться о его параметрах (напряжение, длина разрядного про- межутка, давление газа) для того, чтобы обеспечить эффективное

14

заселение верхних энергетических уровней и минимальное заселение нижних. На практике подобрать оптимальный режим является труд- ной кропотливой задачей. Данный способ применяется исключи- тельно для так называемых газовых лазеров (лазер на углекислоте).

Химический способ накачки состоит в использовании энергии, вы- деляемой в процессе химической реакции для возбуждения атомов одного из реагентов с переходом их на высокий энергетический уро- вень, далее физика создания инверсной заселенности аналогична дру- гим способам. Число активных сред, пригодных для этого способа, сильно ограничено. Данный способ очень специфичен и применяется исключительно в автономных системах лазерного оружия (HF-лазер).

Газодинамический способ накачки основан на том, что при резком охлаждении нижний лазерный уровень быстрее возвращается в ос- новное состояние, чем верхний. Как следствие, число атомов, нахо- дящихся в состоянии, которое соответствуют верхнему лазерному уровню, в какой-то момент превысит число атомов, населяющих нижний лазерный уровень. Таким образом, инверсная заселенность достигнута. Активная среда подготовлена.

Столкновительный способ накачки. При этом способе сначала ре- зонансно возбуждается энергетический уровень дополнительной компоненты специально подготовленной смеси. Высота этого энер- гетического уровня над основным соответствует высоте верхнего лазерного уровня рабочей компоненты в той же смеси. Во время столкновения атомов различных компонент происходит передача энергии между этими атомами, т.е. происходит реакция

где буквами А и В обозначаются различные атомы смеси, а звездоч- кой отмечен возбужденный атом.

Такая реакция называется перезарядкой Пенинга.

Лазер можно определить как источник света. Лазер, как и любой другой прибор, обладает набором технических параметров. Такими параметрами для лазеров являются:

–средняя мощность излучения; определяется усредненной энер- гией излучения за секунду, Вт;

–пиковая мощность излучения (применяется для импульсных ла- зеров); определяется как мгновенная мощность излучения, Вт;

–длина волны излучения; определяет энергию отдельного кванта («цвет» луча), мкм;

15

–характер работы лазера: непрерывный, импульсный, импульсно- периодический;

–частота следования импульсов; определяется числом импульсов генерации за секунду, Гц;

–потребляемая мощность; определяется как энергия, отнесенная к единице времени, потребляемая от электрической сети или других источников энергии для получения лазерного излучения заявленной мощности, В · А, либо Вт;

–коэффициент полезного действия; определяется как эффектив- ность преобразования электрической энергии в энергию лазерного излучения, как отношение средней мощности излучения к потреб- ляемой мощности; безразмерная величина.

В табл. 1.1 приведены сведения о наиболее популярных лазерах.

Таблица 1.1

Характеристики лазеров

Примечание. Обозначение: н. – непрерывный; и. 10 нс – импульсный с длительно- стью импульса 10 нс (1 мс, 1 мкс).

1.4. Классификация лазеров

Лазеры представляют обширный ряд типов и моделей. Соответст- венно, их классификация предполагает сложную, разветвленную схему. Разделим лазеры по основным признакам.

1.По агрегатному состоянию активной среды:

–газовые;

–твердотельные;

–жидкостные;

–на парах.

2.По диапазону излучения:

–инфракрасные (ИК);

–видимые;

–ультрафиолетовые (УФ).

16

3.По составу излучения:

–одномодовые;

–многомодовые;

–одночастотные.

4.По состоянию атомов активной среды:

–атомарные;

–молекулярные;

–эксимерные;

–ионные.

5.По режиму работы:

–непрерывные;

–импульсные;

–импульсно-периодические.

6.По способу накачки:

–электроразрядные;

–с оптической накачкой;

–полупроводниковые;

–и др.

7.По режиму управления генерацией:

–свободная генерация;

–модуляция добротности;

–синхронизация мод.

8.По области применения:

–технологические;

–медицинские;

–исследовательские;

–измерительные;

–военные.

9.По кратности излучения:

–без перестройки;

–вторая гармоника;

–третья гармоника;

–смешанное.

10.По длительности импульсов:

–миллисекундные;

–микросекундные;

–наносекундные;

–пикосекундные;

–фемтосекундные.

17

1.5. Типовой состав лазера

Основным элементом лазера является лазерный активный эле- мент, который размещается в устройстве, называемом излучателем.

Излучатель представляет собой жесткую арматуру для фиксиро- ванного взаимного расположения активного элемента, юстировоч- ных механизмов с зеркалами резонатора (для всех типов), лампы- вспышки, отражателя (для твердотельных), модулятора, затвора, не- линейного кристалла (при необходимости). Вместе с излучателем в состав лазера обязательно входит блок питания (кроме химических лазеров). При необходимости в состав лазера включаются: блок ох- лаждения, вакуумная система напуска и откачки рабочей смеси, до- полнительные оптические элементы, измеритель мощности.

1.6. Типы резонаторов

Длиной резонатора называется расстояние между центрами зеркал резонатора вдоль его оптической оси.

Наиболее простым является резонатор Фабри – Перо. Он образо- ван двумя плоскими зеркалами, установленными строго перпендику- лярно оптической оси лазерного активного элемента. Часто применя- ется конфокальный резонатор. Он образован двумя вогнутыми зер- калами с радиусами кривизны R1 и R2 соответственно. При этом дли- на резонатора R1 + R2 (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Конструкция резонаторов

18

Тип и параметры резонатора определяют выходные характеристи- ки лазерного излучения: модовый состав, диаграмму направленности, пространственно-временную стабильность излучения, мощность.

Воспроизводящаяся конфигурация распределения электромагнит- ного поля на зеркалах называется модой. Моды сильно влияют на распределение мощности излучения на объекте лазерной обработки (рис. 1.6). Следовательно, следы от лазерного воздействия различных мод будут значительно отличаться. Моды обозначаются TEMmn. Ин- дексы характеризуют число минимумов электромагнитного поля по горизонтальной и вертикальной осям соответственно.

Рис.1.6. Схематическое изображение распределений поля для различных мод (типов колебаний) газового лазера с круглыми зеркалами

19

ТЕМ00 оставляет на материале гладкий колоколообразный сим- метричный след. След от ТЕМ10 является двойным с перемычкой. ТЕМ11 воспроизводит четыре углубления по одному в каждом квад- ранте. Углубления разделены крестообразной перемычкой. След от ТЕМ01 имеет форму центрального углубления, обрамленного через кольцевую перемычку кольцеобразным углублением. Моды с боль- шими индексами оставляют более сложные отпечатки. На практике в излучении присутствует несколько конкурирующих между собой мод, из-за чего оставляемые при воздействии следы имеют достаточ- но сложную невоспроизводимую форму. Разработчики лазерного оборудования и технологи по лазерной обработке стремятся к ис- пользованию одномодового режима обработки на моде ТЕМ00 с Га- уссовым распределением излучения.

1.7.Зеркала

Влазерной технике нашли применение зеркала с металлическими

идиэлектрическими покрытиями. Зеркала с металлическими отра- жающими покрытиями имеют существенные недостатки: отража- тельная способность мала и составляет 70…90 %; покрытия имеют

низкую стойкость к световому излучению и малую механическую прочность. При плотности энергии 50…80 Дж/см3 серебряные по- крытия начинают отслаиваться от стеклянной подложки после

50…2000 вспышек.

Коэффициент отражения у диэлектриков значительно меньше,

чем у металлов (для стекла с n = 1,5 коэффициент составляет всего 4 %), однако использование многослойных отражающих диэлектри- ческих покрытий дает возможность получить 99 % отражения. Такие зеркала состоят из ≈ 20 слоев двух диэлектриков (с высоким и низ- ким показателями преломления), расположенных попеременно. Не- обходимо, чтобы толщина диэлектрического покрытия = λ0/4. Не- четные слои делают из диэлектриков с высоким показателем пре- ломления: сульфидов цинка и сурьмы, окислов титана, циркония, гафния, тория, свинца, четные слои из материала с низким показате- лем преломления (фторидов магния, стронция, двуокиси кремния). Преимущества таких покрытий можно реализовать лишь при высо- кокачественном изготовлении подложки. Для получения коэффици- ентов отражения более 99 % при λ0 = 0,7 мкм высота микронеровно- стей не должна превышать 0,005 мкм. Стойкость диэлектрических покрытий зависит от числа слоев, температуры подложки при нане-

20