Принцип работы лазеров

В основе работы лазеров лежат три явления: поглощение веществом энергии, спонтанное и вынужденное излучения возбужденной системы атомов.

Осуществление инверсии населенности в веществе может происходить за счет поглощения энергии внешнего электромагнитного излучения или другими воздействиями (например, электронным возбуждением). Такие процессы условно называют «накачкой».

Важным условием работы лазера является усиление лазерного излучения в так называемых активных средах из-за лавинного размножения квантов излучения. Понятно, что чем больше активной среды и уровень накачки, тем больше интенсивность выходящего из нее излучения. Лазерное излучение по своей структуре представляет собой совокупность отдельных порций фотонов, время образования и выхода которых, могут различаться.

С помощью плоскопараллельных зеркал, одно из которых полупрозрачно, можно удлинить прохождение излучения в активной среде и создать условия для его усиления и генерирования.

В настоящее время для различной обработки материалов при помощи лазерного излучения в основном применяются твердотельные и газовые лазеры.

Лазеры, в которых в качестве активной среды используется твердое тело с ионами, играющими роль активных центров (например, стержень из стекла или алюмоиттриевого граната, активированный неодимом), называются твердотельными. Лазеры, в которых в качестве активной среды используются газы или их смеси (например, аргон или смесь газов из углекислого газа, азота и гелия), называют газовыми. Те и другие лазеры конструктивно могут быть исполнены для работы в импульсном, импульсно-периодическом и непрерывном режимах излучения.

Импульсный режим работы лазера характеризуется одиночными импульсами лазерного излучения, следующими друг за другом через заданный промежуток времени. Импульсно-периодический режим работы сопровождается непрерывными сериями импульсов с короткими временными промежутками между ними. При отсутствии промежутков между импульсами режим работы лазера называется непрерывным.

Принципиальная схема твердотельных лазеров показана на рисунке. Активный элемент 1, лампа накачки 5 и отражатель 4 составляют узел, называемый квантроном. Он охлаждается дистиллированной водой (внутренний контур охлаждения). Наружный контур охлаждения лазера подключается к водопроводной сети.

Квантрон, помещенный в резонатор (заключенный между зеркалами 2

и 3), превращается в генератор (излучатель) лазерного излучения. Источник 6 питания лазера предназначен для обеспечения работы его излучателя в определенном режиме работы.

Из газовых лазеров для обработки материалов наиболее приемлемым оказались лазеры на углекислом газе, обладающие достаточными мощностями и работающие на различных режимах излучения на длине волны 10,6 мкм. В газовых лазерах увеличение снимаемой мощности происходит за счет добавления к рабочему газу СО₂,молекулярного азота и гелия. Эта смесь газов подается в газоразрядную полость. При приложении электрического поля молекулы СО₂ и N₂ возбуждаются и создаются их вынужденные колебания. Молекулы N₂, сталкиваясь с молекулами СО₂, повышают их энергетический уровень за счет передачи своей энергии. После чего молекулы СО₂, переходя на более низкий энергетический уровень, испускают лазерное излучение. При этом молекулы He (благодаря высокой подвижности атомов) служат для охлаждения рабочей смеси, способствуют расселению нижнего энергетического уровня и стабилизируют разряд. Для поддержания работоспособности газовой смеси в процессе работы в конструкциях лазеров предусматривается подача свежих газов в газоразрядную полость излучателя.

В СО₂ лазерах с медленной прокачкой газовой смеси отвод тепла из зоны разряда осуществляется охлаждающей жидкостью (водой) через стенки газоразрядной полости (диффузионное охлаждение). Газоразрядные лазеры с медленной прокачкой газовой смеси — лазеры первого поколения.

Требования производства привели к созданию более мощных технологических СО₂ лазеров. Их создание оказалось возможным за счет применения другого способа отвода тепла из зоны разряда. В этом случае отвод тепла происходит заменой нагретой части смеси на свежую газовую смесь (конвективное охлаждение).

Ввиду того, что в этих лазерах прокачка смеси газов производится с большой скоростью, они называются газоразрядными лазерами с быстрой прокачкой.

Принципиальная схема быстропроточных СО₂ лазеров

1 — непрозрачное (глухое) зеркало резонатора; 2 — полупрозрачное зеркало резонатора; 3 — газоразрядная полость излучателя; 4 — теплообменник; 5 — электроды; 6 — направление потока газовой смеси; 7 — лазерное излучение; 8 — высокое напряжение.

Дата добавления: 2014-01-20