Лекция 18

Источники питания лазеров с импульсным излучением. Структурные схемы. Схема зарядки емкостного накопителя. Импульсные источники электропитания твердотельных лазеров с преобразованием частоты. Схемы источника питания, диаграммы токов и напряжений

Твердотельные лазеры (рис. 1.) дают излучение в красной и близкой инфракрасной областях спектра.

В лазерах этого типа излучателем (активным элементом) является твердое тело (стержень). Стержень (1), изготовленный из рабочего вещества, помещен между двумя зеркалами (отражателями).

Рис.1 Принципиальная схема твердотельного лазера

Темный отражатель (6) полностью отражает падающие на него лучи, полупрозрачный (2) — частично отражает и частично пропускает.

В качестве рабочих лазерных веществ наиболее распространены искусственные монокристаллы:

- рубин, активированный трехвалентными ионами хрома (Сг³⁺);

- гранат иттрий-алюминиевый, активированный трехвалентными ионами неодима (Nd³⁺), а также неодимовые стекла.

Возбуждение осуществляется лампой-вспышкой (4), которая получает питание от высоковольтного импульсного источника (5).

Лампа помещается внутри отражающего корпуса (3), имеющего форму эллипса в поперечном сечении, в его фокусах. Такое размещение лампы и стерж­ня создает наилучшие условия равномерного освещения активного элемента.

Если нагрев достигнет предельных значений температуры, то возможно прекращение когерентного излучения и даже разрушение стержня из-за возникновения в нем термических напряжений.

Поэтому большинство твердотельных лазеров охлаждается водой, воз­духом или жидким азотом.

Такие лазеры работают, обычно, в импульсном режиме. Длительность импульса определяется индуктивностью и емкостью импульсной цепи и на­ходится в пределах от 0,1 до 10 мс при мощности излучения от 10² до 10⁶ Вт.

Частота импульсов зависит, в основном, от условий охлаждения и ха­рактеристик импульсной лампы и достигает 600 импульсов в минуту.

КПД твердотельных лазеров не высок (от 1 до 6 %), так как часть под­водимой энергии расходуется на нагрев.

Газовые лазеры (рис. 1.2-54) имеют рабочий диапазон мощностей от 10"³ до 10⁹ Вт, создавая излучение с диапазоном длин волн от 0,1 до 1,2 мкм.

К этой группе относятся лазеры, работающие на углекислом газе.

Основным элементом является газоразрядная трубка (1), заполненная газом, с двумя электродами (2 и 5) на концах.

В качестве активного газа применяется углекислый газ с добавкой азота и гелия для повышения эффективности.

Энергетический процесс осуществляется на возбужденных молекулах азота в инфракрасной области излучения. Питание к электродам (2 и 5) подводится от высоковольтного импульсного источника (4). Молекулярный азот хорошо накапливает энергию возбуждения и в процессе неупругих столкновений легко передает ее молекулам СО₂.

Добавка гелия (Не) облегчает условия возникновения разряда и охлаждает его благодаря cвоей высокой теплопроводности, а также способствует переходу молекул СО₂ с нижних уровней на высокие. Возникающее излучение выводится через окно (3) из материала, пропус­кающего инфракрасные лучи. Такими материалами могут быть кристаллические бромиды калия (KBr), хлористого натрия (NaCl) или германия (Ge).

Рис.2 Принципиальная схема газового лазера

Активный элемент молекулярных лазеров на СО₂ может быть выполнен в двух вариантах:

- с прокачкой газа вдоль трубки, как показано на рисунке;

- с прокачкой газа поперек трубки.

Давление газа от 0,1 до 10² кПа. Повышение давления позволяет сокра­тить длину оптически активного участка.

Продольно-прокачные лазеры обеспечивают мощность, снимаемую с 1м длины резонатора не более 50 Вт.

Для получения большой мощности применяют многотрубные резонаторы или большой длины. В многотрубных системах луч с помощью зеркал последовательно направляется через все трубы. Охлаждение через теплообменник (6) водой, воздухом или жидким азотом.

Поперечно-прокачные лазеры обеспечивают мощность с 1 см³ газа до 16 Вт. Расход газовой смеси через разрядную камеру составляет от 2 до 3 м³/с. Газ предварительно охлаждается в теплообменнике. Давление газа — около 10²кПа.

Энергетический разряд осуществляется между анодной плитой и сек­ционированным катодом. Такие лазеры работают в непрерывном режиме генерации.

Газовые лазеры могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме. Их излучение обладает наименьшими углами расхождения, наи­большей монохроматичностью и стабильностью частоты.

КПД наиболее высокий — от 5 до 20 %.

Область применения СЛУ чрезвычайно разнообразна и определяется свойствами луча.

Применение твердотельных лазеров на базе рубина, иттрий-алюминиевого граната (ИАГ) и неодимового стекла позволило создать ряд промышленных установок типа:

- «СЛС», для точечной сварки металлов толщиной до 0,3 мм;

- «Квант», для шовной сварки металлов;

- «Корунд», для сверления часовых камней и др.

Применение газовых лазеров на СО₂ позволило создать установки типа:

- «Катунь», для многоцелевых операций (резка, сварка материалов и т.п.);

Дата добавления: 2014-01-07