Промышленное применение лазеров

Модуляция добротности, т.е. ее резкое увеличение, произво­ дится следующим образом. При возбуждении активной среды лазера добротность резонатора сохраняется высокой, а в определенный мо­ мент она резко снижается. За время, пока добротность высокая, про­ изойдет накопление большого количества энергии в резонаторе, а после резкого уменьшения добротности накопленная энергия быст­ ро выйдет из резонатора.

Для изменения добротности резонатора используют устройства, называемые затворами (акустооптические, вращающиеся зеркала, призмы, электрооптические элементы и т.п.).

В режиме модуляции добротности могут быть получены им­ пульсы наносекундной длительности (1(Г8-М0 9 с).

Для получения режима модуляции добротности используются различные приемы. Схема модуляции добротности с помощью вра­ щающейся призмы показана на рис. 1.17. Генерация происходит лишь при положении призмы, указанном на рисунке. При остальных положениях призмы в процессе облучения импульсной лампой про­ исходит накачка рабочего тела.

Вид А.

Другой конструкцией механического модулятора добротности является вращающийся диск с прорезью (рис. 1.18). Добротность ре­ зонатора сохраняется высокой, и энергия в резонаторе накапливается до тех пор, пока не появится прорезь диска. В этот момент начинает­ ся быстрый уход накопленной энергии из резонатора.

Из предыдущего материала нам известно, что резонатор - это некоторый колебательный контур, обеспечивающий условие резонан­ са, т.е. усиления определенной частоты колебаний (в нашем случае - электромагнитного излучения). Он служит для выделения части фото­ нов, движущихся в определенном направлении и обладающих одина­ ковой длиной волны (что и является лазерным излучением), и устроен так, что часть выделенного таким образом излучения снова возвраща­ ется в вещество и вызывает новые вынужденные переходы, соответст­ вующие выделенной длине волны и направлению излучения.

Пространственное распределение интенсивности энергии по сечению лазерного луча зависит от распределения электромагнитно­ го поля, формируемого в резонаторе, и, следовательно, от его типа и конструкции.

Электромагнитная волна характеризуется электрическим и маг­ нитным полями, перпендикулярными друг другу и направлению рас­ пространения (рис. 1.19). Стоячая электромагнитная волна в резона­ торе имеет как продольную (вдоль оптической оси), так и попереч­ ную структуру распределения электрического поля.

н '

Рис. 1.19. Мгновенное распределение электрического (Е)

имагнитного (Н) нолей в линейно-поляризованном пучке света

сдлиной волны X

Резонатор является оптической системой, позволяющей сфор­ мировать стоячую электромагнитную волну и получить высокую ин-

тенсивность излучения, необходимую для эффективного протекания процессов вынужденного излучения возбужденных частиц рабочего тела лазера, а следовательно, когерентного усиления генерируемой волны. Оптические резонаторы в квантовой электронике не только увеличивают время жизни кванта в системе и вероятность вынуж­ денных переходов, но и, так же как резонансные контуры и волново­ ды в классической электронике, определяют спектральные характе­ ристики излучения.

Как и в любом другом резонаторе, в оптическом резонаторе может существовать определенный набор возможных типов колеба­ ний, отличающихся пространственным распределением энергии. Выделенный вид электромагнитных колебаний, соответствующий определенному устойчивому распределению поля волны в резонато­ ре, называется модой резонатора.

Различные моды резонатора обладают различными потерями энергии. Наименьшими потерями в резонаторе обладают те типы ко­ лебаний, для которых распределение амплитуды достигает максиму­ ма в центре и наиболее круто спадает к краям зеркал. Этот тип коле­ баний называют основной модой резонатора и обозначают ТЕМ0о (ТЕМ - Transverse Electro Magnetic - поперечное электромагнитное колебание, т и п - целые числа, равные 0, 1, 2... и обозначающие число изменений знака поля на поверхности зеркал, a g равно числу полуволн, укладывающихся на длине резонатора).

Различные колебания в резонаторе характеризуются набором модовых чисел g, m, я, которые принято писать рядом с буквенным обозначением типа электромагнитных волн (например, ТЕМ^ „). Индексы т и п называют поперечными, a g - продольным или акси­ альным индексом. Следует заметить, что число g очень велико по сравнению с тип, поэтому индекс g в обозначениях мод не выража­ ется числом и часто опускается. Продольное распределение поля описывается модовым числом g, соответствующим различным, так называемым продольным модам колебаний.

Моды отличаются друг от друга распределением электромаг­ нитного поля на поверхностях зеркал резонатора, т.е. пространствен­

ными и энергетическими характеристиками. Колебания, соответст­ вующие различным продольным модам, имеют одинаковое попереч­ ное распределение интенсивности излучения на выходе из резонато­ ра и отличаются лишь частотами этого излучения. В соответствии с этим часто моды, характеризующиеся одними и теми же индексами т и /?, но разными g, объединяют под общим названием поперечной моды ТЕМ,,,,, (рис. 1.20).

Поперечная структура поля характеризуется наличием узлов электрического поля по радиусу и углу и описывается числами т и п. В случае цилиндрического резонатора т означает число узлов поля на радиусе резонатора, а п - число узлов на половине его периметра.

—

и пространственные параметры генерируемого пучка и поэтому яв­ ляется важной характеристикой лазера. Каждому типу колебаний соответствует определенное зачухание. Это означает, что условия

возбуждения различных мод неодинаковы. Тип колебаний, обла­ дающий наименьшими потерями, называют основной модой резона­ тора, а остальные - модами высших порядков. Если в лазерном излу­ чении присутствует только основная мода, то такое излучение назы­ вают одномодовьш, если иначе - многомодовым.

При этом одномодовом режиме поперечный размер и расходи­ мость лазерного излучения минимальны, а степень когерентности и способность к фокусировке - максимальны. В этом случае характер распределения плотности мощности по сечению пучка известен (рас­ пределение Гаусса) и легко описывается аналитически.

Многомодовый режим характеризуется более высокой выход­ ной мощностью, большей расходимостью и неравномерным распре­ делением плотности мощности. Аналитически такое распределение описать нельзя, и способность к фокусировке у такого излучения го­ раздо меньше.

Моды высшего порядка хуже фокусируются, и поэтому от них, как правило, стремятся избавляться. Другими словами, чем выше порядок моды, тем излучение более неоднородно по энергетическо­ му параметру. Незначительные нарушения в конструкции лазера (разюстировка зеркал, попадание пыли) приводит к появлению мод вы­ сокого порядка.

Моды высших порядков можно «гасить» путем установки в ре­ зонаторе специальных элементов, например диафрагм. Для компен­ сации всех потерь энергии в системе вещество-резонатор-излучение излучающее вещество периодически снова приводят в инверсное со­ стояние с помощью излучения накачки. На пути выходящего из ре­ зонатора излучения можно установить прозрачный элемент, после прохождения которого излучение будет иметь определенную ориен­ тацию вектора электрического поля, т.е. определенное состояние по­ ляризации. Такой элемент называют поляризующим элементом - по­ ляризатором. Необходимо отметить, что при его отсутствии лазер­ ное излучение будет неполяризованным, тогда поляризации достигают другими методами.

Промышленные излучатели, в основном, конструктивно выпол­ нены так, что они способны генерировать лазерное излучение только с определенным распределением энергии по сечению луча. Поэтому для каждого вида лазерной обработки материалов (резка, сварка, тер­ моупрочнение и т.д.) выбирают соответствующий излучатель.

Так, для лазерной резки материалов наиболее приемлемыми яв­ ляются излучатели, работающие на одноили двухмодовом режимах, ввиду того, что в этих случаях при фокусировке луча можно полу­ чить «острый» луч, имеющий в фокусе (в зависимости от излучаемой моды и качества оптической системы) диаметр от 0,1 до 0,3 мм. У излу­ чателя, работающего на многомодовом режиме, значение этого диа­ метра доходит до 0,5-Ю,6 мм. Это приводит к падению плотности мощности, увеличению ширины реза и, следовательно, к- снижению технологических возможностей такого лазера.

Лазерные сварочные операции обычно выполняются в многохмодовом режиме излучения, обеспечивающем более равномерное проплавление свариваемых участков металла. Когда требуется бо­ лее глубокое проплавление металла, используют кольцевой режим излучения.

Для выполнения операции лазерного поверхностного термоуп­ рочнения, где требуются относительно небольшие плотности мощно­ сти, но желательны увеличенные диаметры луча в фокальной плос­ кости, используют многомодовое излучение.

Контрольные вопросы

1.Что такое видимый свет, его свойства?

2.Что такое фотон, как определяется энергия фотона?

3.Что такое лазерное излучение?

4.Перечислите характеристики лазерного излучения?

5.Каков диапазон длин волн у лазерного излучения?

6.Что такое монохроматичность и когерентность излучения?

7. Чем определяется направленность и поляризация излучения

влазерах?

8.Что такое энергетический уровень, чем отличаются основ­ ной и остальные уровни частицы?

9.Назовите квантовые числа микрочастицы.

10.Из каких составляющих формируется спектр разрешенных энергетических уровней системы сложных атомов и молекул?

11.Перечислите и охарактеризуйте виды оптических переходов.

12.Что такое индуцированное излучение?

13.Что такое инверсия населенности и каков способ ее полу­

чения?

14.Объясните. почему в ОКТ используется трехуровневая схема?

15.Что такое оптический резонатор, каково его назначение?

16.Типы резонаторов и их параметры.

17. Опишите схему получения индуцированного излучения в ре­ зонаторе.

18.Опишите свойства различных зеркал, используемых в резо­

наторах.

19.Что такое модовый состав лазерного излучения, от чего он

зависит?

20.Объясните, каковым должен быть модовый состав излуче­ ния в резонаторе, чтобы осуществить ту или иную обработку ма­ териала.

21.Что такое добротность резонатора, как ее можно изменить?

22.Что такое поляризатор и причины его использования?

2.ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ЛАЗЕРОВ

Технологический лазер (ТЛ) представляет собой устройство, предназначенное для работы в составе комплекса промышленного оборудования, производящего изделия машиностроения и приборо­ строения или материалы (вещества) с заданными физическими и химическими характеристиками. Поэтому ТЛ должен удовлетво­ рять, во-первых, общим требованиям, предъявляемым к любому промышленному технологическому оборудованию; во-вторых, спе­ цифическим требованиям, обусловленным самим лазерным техноло­ гическим процессом или связанным с особенностями лазерного луча как рабочего инструмента. Для выполнения этих требований ТЛ должен иметь определенные конструктивные параметры, быть пол­ ностью автоматизированным, являться составной частью автомати­ зированных лазерных технологических комплексов (АЛТК). Конст­ рукция ТЛ и условия его эксплуатации должны обеспечивать полную безопасность в работе и удовлетворять высоким гигиеническим, эко­ логическим и эстетическим требованиям.

Особой группой условий промышленного применения ТЛ явля­ ется технико-экономическая целесообразность использования каждого конкретного вида лазерной технологии при изготовлении определен­ ных промышленных изделий; этот вопрос должен всегда рассматри­ ваться комплексно и применительно к текущему и перспективному состоянию промышленной технологии вообще.

Основным критерием, определяющим физическую возмож­ ность того или иного процесса лазерной обработки изделий при тер­ мической технологии, является достаточная интенсивность излуче­ ния на поверхности обрабатываемого изделия и длительность воз­ действия излучения. Следующим важным параметром является

средняя мощность излучения, определяющая производительность процесса, а в некоторых случаях и его принципиальную физическую возможность.

Лазеры разделяются по типам, прежде всего, в зависимости от их активной среды. Разнообразие свойств активных веществ приводит к большому числу возможных механизмов получения инверсии насе­ ленности и требует различных способов возбуждения активной среды.

2.1. Классификация квантовых приборов

Квантовые приборы можно классифицировать несколькими способами.

1. По диапазону длин волн: мазеры и лазеры, причем послед­ ние могут быть инфракрасные (И К )- 0,78-1(Г6<А,<1(Г4 м; видимо­ го света (ВС) - 0,7810~6<А,<0,38-1(Г6 м; ультрафиолетовые (У Ф )- 0,3810"6<А,<1СГ8 м; рентгеновские (РЛ) - О^в-НГ^ХсКГ4 м и гам­ ма-лазеры (у-Л) - А.<10"12 м.

2. По типу используемой активной среды: полупроводниковые, твердотельные (в частности, использующие нелинейные свойства среды), жидкостные, плазменные, газовые, причем последние могут быть атомарные, ионные, молекулярные и пучковые атомарные

имолекулярные.

3.По режиму работы и методам управления выходным излуче­ нием: непрерывные, импульсные, лазеры гигантских импульсов, од­

номодовые, многомодовые, с синхронизацией типов колебаний,

сперестройкой длины генерируемой волны различными способами.

4.По назначению (усилитель, умножитель, генератор) и по применению (область применения весьма обширна).

5.По типу используемого резонатора и образующих его зеркал

ипо методу селекции типов колебаний в нем или по типу используе­ мой замедляющей системы в случае мазеров бегущей волны.

6.По методам получения инверсной населенности уровней сиг­ нального квантового перехода. По этому способу квантовые приборы

можно разделить на десять больших групп, каждая из которых осно­ вана на применении:

1) пространственного разделения пучка атомов или молекул

внеоднородных электрических и магнитных полях;

2)химических методов получения возбужденных молекул, кото­ рые, в свою очередь, можно разделить на методы с инициированием химических реакций и методы без инициирования;

3)метода создания и использования эксимерных молекул, т.е. молекул, существующих только в возбужденном состоянии;

4)группы методов, использующих движение свободных электро­ нов в периодически меняющихся электрических или магнитных полях или взаимодействие этих электронов со встречным потоком квантов;

5)методов, используемых в полупроводниковых квантовых приборах и содержащие четыре способа возбуждения полупроводни­ ков: метод инжекции носителей заряда в контакт вырожденных по­ лупроводников или в гетеропереход; метод электронного возбужде­ ния, осуществляемый путем бомбардировки полупроводника элек­ тронным пучком; метод оптического возбуждения полупроводников

иметоды сильного поля;

6)метода внешнего возбуждения многоуровневой (обычно трехуровневой) системы. Это самый распространенный метод и ис­ пользуется он в парамагнитных квантовых приборах (твердотельных

ижидкостных) и частично в газоразрядных лазерах;

7)метода возбуждения внешними гиперзвуковыми колебания­ ми (разновидность предыдущего метода). С помощью этого метода получение инверсной населенности осуществляется за счет возбуж­ дения гиперзвуковыми колебаниями многоуровневой парамагнитной системы. Используется этот метод в акустическом мазере (генерато­ ре или усилителе гиперзвука) и в обратном акустическом мазере, т.е.

вобычном усилителе или генераторе электромагнитных колебаний, возбуждаемых гиперзвуком;

8)газоразрядного возбуждения атомов. Этот способ подразде­ ляется на три метода: метод столкновений, метод возбуждения при