книги / Промышленное применение лазеров

При возбуждении световой накачкой электроны в рабочем стержне испускают флюоресцентное излучение. Часть флюоресцент­ ного излучения пойдет под разными углами к оси стержня и, выйдя из него, будет безвозвратно потеряна. Другая же часть, направленная вдоль оси стержня, будет усилена за счет вынужденного излучения при прохождении сквозь стержень. Отразившись от зеркал, часть света пройдет снова вдоль оси стержня и приведет к увеличению ин­ тенсивности света. Таким образом, свет многократно пройдет через объем стержня.

Ряд возможных зеркальных конфигураций приведен ниже.

Некоторые возможные комбинации зеркал с разными радиусами кривизны R\ и /?2 при длине резонатора L:

плоскопараллельные R/ = R2 = °о

конфокальные Rj = R2 = L

длиннофокусные R \»L, R2» L

сферические Rj = R2 = L/2

плоскосферические Rj= L, R2= oo

сферические с диафрагмой Rj = R2 = L/2

нестабильные Rj< L/2, R2< L/2

На практике часто используются зеркала с большими радиусами кривизны (R \»L , R.2 » L ), поскольку они образуют резонаторы с хорошей стабильностью и приемлемым заполнением активной сре­ ды. Плоскопараллельные зеркала обеспечивают хорошее использо­

вание активной среды, однако они обладают очень низкой стабиль­ ностью. Комбинация из сферического и плоского зеркал (R\=L, R2=оо) обеспечивает хорошую стабильность, однако излучение в ней плохо заполняет активную среду. Сферические (R\=R2=L/2) и конфокаль­ ные (R{=R2 =L) зеркала обладают низкой стабильностью и не запол­ няют активной среды. На рис. 1.12 показан также пример нестабиль­ ной конфигурации (одной из многих).

Рис. 1.12. Один из вариантов структуры нестабильного резонатора

Компромисс между стабильностью и заполнением активной среды обычно достигается в длиннофокусной конфигурации, в кото­ рой R \» L и R2» L . Эта конфигурация чаще всего применяется в со­ временных промышленных лазерах.

1.5. Характеристики лазерн о го излучения

Лазерное излучение - это вынужденное монохроматическое из­ лучение широкого диапазона длин волн. Для него в первом прибли­ жении можно использовать термин «свет», т.к. в настоящее время лазерное излучение перекрывает диапазон длин волн 10'7-И0"4 м (от ближней ультрафиолетовой до инфракрасной области спектра, включая видимую).

Основными свойствами лазерного излучения, обеспечивающи­ ми его научное и промышленное применение, являются монохрома­ тичность, высокая когерентность, очень высокая направленность (малая расходимость луча), высокая плотность мощности излучения, особая пространственно-временная структура.

1.5.1. Монохроматичность лазерного излучения

Монохроматичность характеризует способность лазеров излу­ чать в узком диапазоне дойн волн. Монохроматическое излучение получали в лабораторных условиях и до появления лазеров с помо­ щью монохроматоров. Принцип их работы заключается в выделении из того или иного спектра теплового излучения узкой полосы частот. Этот способ получения монохроматического излучения, связанный с большими потерями мощности, использовался в научных целях и не нашел промышленного применения. В отличие от монохромато­ ров лазер может генерировать громадную энергию и мощность излу­ чения в очень узкой полосе длин волн.

Лазерное излучение имеет чрезвычайно узкую спектральную линию, т.е. представляет собой свет практически одного цвета (од­ ной длины волны). Это самое важное свойство лазеров, так как обычные источники излучения дают возможность получить монохроматичное излучение только с помощью фильтров, а значит, при больших потерях излучения. В зависимости от вида активной среды излучатели технологического лазерного оборудования генерируют излучение в диапазоне длин волн от 0,337 (ближняя ультрафиолето­ вая область) до 10,6 мкм (инфракрасная область электромагнитного спектра). Так, лазеры на рубине генерируют излучение на длине вол­ ны X = 0,6943 мкм (красный цвет); на стекле с неодимом - X = 1,06 мкм (ближняя инфракрасная область); газовый на He-Ne —Х = 0,6328 мкм (красный цвет); газовый на СО2- X = 10,6 мкм (инфракрасная область); газовый на A r- X = 0,4880 мкм или X = 0,5145 мкм (зеленый цвет); газо­ вый на N2 - X = 0,337 мкм (ближняя ультрафиолетовая область).

1.5.2. Когерентность лазерных пучков

Лазерное излучение характеризуется когерентностью, которую легко понять в сопоставлении с обычным полихроматическим излу­ чением. Полихроматическое излучение, свойственное нагретым те­ лам. состоит из набора волн с различной частотой, фазы которых хаотично изменяются во времени, и является типичным примером некогерентного излучения.

Излучение некогерентных источников (лампа накаливания, элек­ трическая дуга, газовая горелка, солнце, ядерный взрыв и пр.) является результатом генерации колебаний огромного множества атомов (ионов, молекул). При этом фаза, частота и амплитуда колебаний, соответст­ вующие излучениям отдельных атомов, хаотически меняются сочень большой скоростью по случайному закону. Каждый атом, ион и молекула излучают независимо друг от друга, и излучение их начина­ ется в различные моменты времени. Поэтому суммарное излучение обычного источника света более похоже на шум, чем на излучение оп­ ределенной частоты, т.е. оно не является когерентным.

Лазерное излучение создается одновременным излучением множества атомов. Энергия лазерного излучения генерируется таким образом, что вновь возникающее излучение оказывается в фазе с уже распределенным в пространстве. Их общее излучение приобретает некоторую упорядоченную регулярность в пространстве и во време­ ни. Стимулированное излучение в резонаторе лазера объединяет воз­ никающие в разное время моменты излучения, так что выходное из­ лучение из резонатора получается когерентным. Лазерное излучение, обладающее свойством когерентности, теоретически может быть сфокусировано в пятно диаметром, равным длине волны излучения лазера. Излучение же обычного источника света можно сфокусиро­ вать лишь до величины размеров излучающего тела.

Лазерное излучение благодаря монохроматичности и когерент­ ности теоретически может быть сфокусировано в пятно диаметром, соизмеримым с длиной волны излучения. Благодаря этому достига­

ется гигантская концентрация энергии излучения, необходимая для эффективной обработки материалов.

1,5.3. Направленность излучения

Излучение, испускаемое обычными источниками, распростра­ няется в широком телесном угле. Лишь с помощью различных опти­ ческих систем это излучение можно ограничить пучком, при этом потеряв значительную его часть на отражение, поглощение и не до­ бившись высокой направленности.

Ценным свойством лазерного излучения является его высокая направленность, характеризуемая малой расходимостью излучения. Это значит, что энергия может легко передаваться по лучу на значи­ тельные расстояния и в соответствии с законами геометрической оп­ тики -- легко сфокусирована на площадки небольших размеров.

Теоретически угловая расходимость лазерного излучения мо­ жет быть столь малой, что определяется лишь явлением дифракции когерентных воли на выходе луча из резонатора. Практическая рас­ ходимость лазерного излучения значительно превышает теоретиче­ скую. Излучение никогда не выходит из лазера в виде пучка парал­ лельных лучей. Лазерный пучок расходится (расширяется) в про­ странстве.

Но, несмотря на это, лазерное излучение все равно обладает ис­ ключительно высокой направленностью по сравнению с обычными источниками света. Благодаря малой расходимости лазерное излуче­ ние фокусируется в пятно малых размеров, что позволяет получать высокую концентрацию энергии. Высокая направленность лазерного излучения также позволяет передавать лазерную энергию на боль­ шие расстояния с очень малыми потерями.

Направленность излучения характеризуют телесным углом, ох­ ватывающим основную часть излучаемой энергии. Если телесный угол представляет собой конус, то в качестве параметра направлен­ ности излучения выбирают угол расходимости 0.

Рис. 1.13. Схема коллимации лазерного луча с помощью телескопической системы: 0! - угол расхождения;

F], F2 - фокусное расстояние; d - диаметр пучка

На выходе из телескопа расходимость лазерного излучения бу­ дет обратно пропорциональна увеличению телескопа:

0Д —Q yd2 у

где d\ ud2- диаметры пучков на выходе из лазера и телескопа; 0j и 02 - углы расходимости соответственно на выходе из лазера и телескопа.

1.5.4. Плотность мощности излучения

Рассмотренные свойства лазерного излучения - монохроматич­ ность, когерентность и малая расходимость - позволяют получить большую плотность мощности. Плотность мощности лазерного из­ лучения q (Вт/см2) представляет собой отношение мощности излуче­ ния Р, проходящего через сечение лазерного пучка к площади сече­ ния S:

где Е - энергия импульса, Дж; dn - диаметр пятна фокусирования,

см; т - длительность импульса, мс.

Плотность мощности лазерного излучения достигает гигант­ ских величин благодаря возможности сфокусировать лазерное излу­ чение в пятно весьма малых размеров порядка десятых, сотых долей

Рис. 1.15. Поперечные моды с осевой симметрией

Цифрами обозначено число наблюдаемых минимумов интен­ сивности при сканировании поперечного сечения пучка по горизон­ тали и вертикали соответственно.

Первая цифра означает число минимумов интенсивности вдоль радиуса поперечного сечения, вторая цифра равняется половине числа минимумов интенсивности в азимутальном направлении. Моды, по­ меченные звездочками, представляют собой суперпозицию двух мод, повернутых одна относительно другой на 90° вокруг центральной оси.

Из рис. 1.14-1.15 видно, что лазерное излучение может иметь вид пятен или колец, соответствующих интенсивности излучения.

Варьированием модового состава излучения можно существен­ но влиять на распределение интенсивности, подбирая его оптималь­ ным образом для конкретных технологических процессов.

В рем енны е характ ерист ики лазерного излучения

Временная структура излучения очень важна для различных технических применений.

Временные характеристики лазерного излучения определяются, в основном, режимами накачки. Лазерное излучение может происхо­ дить в непрерывном и импульсном режимах.

Внепрерывном режиме выходная мощность лазерного излуче­ ния постоянна по времени, а в импульсном - лазерное излучение представляет собой последовательность импульсов энергии, характе­ ризующуюся частотой следования импульсов, их длительностью, пиковой (максимальной) и средней мощностью излучения.

Различают импульсные режимы одиночных импульсов регу­ лярной последовательности импульсов: режим свободной генерации (когда длительность импульса излучения равна длительности им­ пульса накачки) и режим модулированной добротности.

Врежиме свободной генерации длительность лазерного импульса определяется длительностью излучения лампы накачки (рис. 1.16).

Рис. 1.16. Структура лазерного импульса свободной генерации Р - мощность; Рср - средняя мощность; Рл - мощность лазера; тимп -длительность импульса

Лазерный моноимпульс обычно обладает характерной «пичковой» структурой, т.е. состоит из совокупности отдельных «пичков» длительностью около Н2 мкс.

В режиме модуляции добротности резонатора резко искусст­ венно снижается длительность лазерного импульса, за счет чего зна­ чительно увеличивается пиковая мощность излучения (на несколько порядков). Добротность резонатора Q - это параметр, характери­ зующий способность резонатора накапливать излучательную энер­ гию. При больших Q энергия в резонаторе хранится долго, при ма­ лых Q вводимая в резонатор энергия быстро выводится из него.