Конструкции газоразрядных СО2-лазеров

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 7Следующая ⇒

Перед классификацией данных типов лазеров, следует рассказать о том, что, хотя они и отличаются друг от друга по многим своим рабочим параметрам (например, выходной мощности), все они имеют общую важную особенность, а именно высокий дифференциальный КПД (15...25 %). Столь высокий КПД является следствием большого квантового выхода (40%) и очень высокоэффективного процесса накачки, который имеет место в СО₂-лазере при оптимальной электронной температуре разряда.

С точки зрения конструкции и способа возбуждения СО₂-лазеры можно подразделить на следующие шесть типов:

а) Лазеры с продольным возбуждением и медленной продольной прокачкой. Газовая смесь медленно прокачивается вдоль лазерной трубки (см. рисунок 1.3) просто для того, чтобы удалить продукты диссоциации, в частности СО, которые в противном случае загрязняют лазерную среду. Отвод тепла обеспечивается теплопередачей в радиальном направлении к стенкам трубки (обычно стеклянным), которые охлаждаются извне подходящим теплоносителем (для этого используют воду). Часто применяется конструкция с внутренним зеркалом, и, по крайней мере в конфигурации, один из металлических держателей, который включает в себя зеркало резонатора, должен находиться при высоком напряжении.

Рисунок 1.3 – Схематическое представление СО₂-лазера

с продольным возбуждением и продольной прокачкой газа

Одно из главных ограничений этого лазера состоит в том, что независимо от диаметра трубки в нем имеется верхний предел выходной мощности с единицы длины разряда (50...60 Вт/м).

СО₂-лазеры с медленной продольной прокачкой относительно низкой мощности (50...100 Вт) широко используются в лазерной хирургии, для подгонки резисторов, для резки керамических пластин в электронной промышленности и сварки тонких металлических листов (толщиной меньше 1 мм).

б) Лазеры с продольным возбуждением и быстрой продольной прокачкой. Одним из возможных и лучших интересных решений, позволяющих преодолеть ограничения на выходную мощность лазеров рассмотренного выше типа, является прокачка газовой смеси вдоль трубки с очень высокой скоростью (около 50 м/с). В этом случае теплота исчезает простым путем удаления разогретой смеси, которая, прежде чем вернуться в трубку, охлаждается вне ее пределов в соответствующем теплообменнике. При этом плотность тока не имеет оптимального значения, мощность фактически возрастает линейно с увеличением плотности разрядного тока, и можно достичь значительно более высокой выходной мощности на единицу длины разряда (1кВт/м и даже больше).

Помимо охлаждения смесь за пределами трубки пропускается через катализатор, чтобы газ СО прореагировал с О₂ (некоторое количество О₂ уже имеется в смеси благодаря диссоциации СО₂ в области разряда). Это обеспечивает необходимую регенерацию молекул СО₂. В этом режиме необходимая подпитка смеси крайне мала и можно добиться работы в полностью запаянном
режиме.

в) Отпаянные лазеры.Если в устройстве, показанном на рисунке 1.3, остановить прокачку газовой смеси, то через несколько минут генерация прекратится, поскольку продукты химической реакции (в частности, молекулы СО), образующиеся в разряде, уже не удаляются, а поглощаются стенками трубки или начинают взаимодействовать с электродами, нарушая таким образом равновесие в смеси СО₂–СО–О₂. В конечном счете это привело бы к диссоциации молекул СО₂. Чтобы обеспечить регенерацию молекул СО₂ из СО, в газоразрядной трубке отпаянного лазера должен находиться определенный катализатор. Для этого в газовую смесь можно просто добавить небольшое количество паров воды (около 1 %). В данном случае регенерация молекул СО₂ осуществляется, по-видимому, благодаря следующей реакции:

СО˙ + ОН → СО˙2 + Н,                                         (1)

в которой участвуют колебательно-возбужденные молекулы СО и СО₂.
Требуемое сравнительно небольшое количество паров воды можно получить, добавляя в разряд газообразный водород и кислород. В действительности оказывается, что в смесь необходимо добавлять только водород, поскольку кислород образуется в процессе диссоциации молекул СО₂.

г) Волноводные СО₂-лазеры. Если диаметр лазерной трубки (см. рисунок 1.4) уменьшить до нескольких миллиметров (2...4 мм), то лазерное излучение в трубке будет распространяться как в волноводе. Такие волноводные СО₂-лазеры имеют низкие дифракционные потери. По последним данным было принято решение, что наилучшие характеристики таких лазеров получаются с разрядными трубками, изготовленными из ВеО – бинарное неорганическое вещество или SiO₂ – кислотный оксид. Главным преимуществом волноводного СО₂-лазера является то, что, благодаря небольшому диаметру отверстия, давление смеси может варьироваться (от 100 до 200 мм. рт. ст.). Возрастание давления приводит к увеличению усиления на единицу длины. Это означает, что можно изготавливать короткие СО₂-лазеры (меньше 50 см), не сталкиваясь с трудной задачей уменьшения потерь в резонаторе. Однако мощность, которую можно снять с единицы длины разряда, подвержена тому же ограничению, что и мощность рассмотренного выше лазера с медленной продольной прокачкой около 50 Вт/м. Поэтому волноводные СО₂-лазеры играют особенно важную роль, когда имеется необходимость в коротких компактных СО₂-лазерах низкой мощности (меньше 30 Вт). Чтобы полностью реализовать возможности, связанные с компактностью этих лазеров, они работают, как правило, в отпаянном режиме.

Конструкция данного лазера может быть такой, какой она показана на рисунке 1.4, когда электрический ток (обычно от высокочастотного источника) течет поперек трубки.

Рисунок 1.4 – Схематическое представление волноводного СО₂-лазера с
накачкой ВЧ-полем

В данной схеме введены следующие изменения для устранения некоторых проблем:

– в этой схеме отсутствуют постоянные анод и катод, и поэтому исчезают трудности, связанные с химическими процессами в газе вблизи катода;

– благодаря включению последовательно с разрядом простых элементов, не рассеивающих энергии (например, диэлектрической пластины), обеспечивается устойчивый разряд.

д) Лазеры с поперечной накачкой и поперечной прокачкой. Другую возможность снять ограничения на мощность в лазере с медленной продольной прокачкой предоставляет прокачка газовой смеси перпендикулярно разряду (см. рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 – Схема устройства СО₂-лазера с поперечной прокачкой

Если смесь прокачивать достаточно быстро, то, как и в случае лазера с быстрой продольной прокачкой, теплота уносится механически, а не путем переноса к стенкам. Поэтому насыщения выходной мощности при увеличении тока разряда не происходит, и можно достичь высоких выходных мощностей с единицы длины разряда (несколько кВт/м) как и в лазерах с быстрой продольной прокачкой. Следует заметить, что в этом случае оптимальное общее давление смеси (порядка 100 мм. рт. ст.) теперь примерно на порядок выше, чем давление в системах с продольной накачкой и большим диаметром трубки.

ТЕ СО₂-лазеры с быстрой поперечной прокачкой высокой выходной мощности (1...20 кВт) широко применяются во многих приложениях, связанных с обработкой металла (резание, сварка, поверхностная закалка, поверхностное легирование металлов). По сравнению с лазерами с быстрой продольной прокачкой эти лазеры имеют более простую конструкцию, поскольку для поперечной прокачки не нужна большая скорость прокачки, как в случае продольной. Однако лазеры с быстрой продольной прокачкой и накачкой имеют значительно лучшее качество пучка, поскольку у них ток разряда имеет цилиндрическую симметрию, что делает эти лазеры особенно привлекательными для механической обработки резанием.

е) Лазеры с поперечным возбуждением при атмосферном давлении (ТЕА-лазеры).ТЕА-лазерами называются такие лазеры, в которых длительность импульса очень мала (доля микросекунды), поэтому неустойчивости в разряде не успеют развиться, и следовательно рабочее давление газа в таких лазерах можно повысить вплоть до атмосферного и выше.

Таким образом, ТЕА-лазеры работают в импульсном режиме и позволяют получать большой энергосъем с единицы объема разряда (10...50 Дж/л). Для предотвращения дугового разряда используется также тот или иной тип предыонизации, которая предшествует возбуждающему импульсу напряжения. На рисунке 1.6 приведена схема, которая часто применяется в таких лазерах на практике. В ней предыонизация обеспечивается ультрафиолетовым (УФ) излучением нескольких искр, которые зажигаются вблизи разрядной области. Излучение этих искр в коротковолновой УФ-области приводит к созданию электронов в разрядном промежутке посредством как фотоионизации составляющих газовой смеси, так и благодаря индуцированной УФ-излучением эмиссии электронов из электродов (УФ-предыонизация).

Рисунок 1.6 – Схематическое представление (вид вдоль лазерной оси) лазера, накачиваемого поперечным разрядом с использованием УФ-излучения для предыонизации газа

Как только произошла ионизация во всем объеме лазерного разряда, закорачивается быстродействующий коммутатор (водородный тиратрон или разрядный промежуток) и через электроды разряда проскакивает главный разрядный импульс. При низкой частоте повторения импульсов (порядка 1 Гц) нет необходимости в прокачке газовой смеси. При более высоких повторениях импульсов газовая смесь прокачивается в перпендикулярном оси резонатора направлении и охлаждается в соответствующем теплообменнике [11].

Познавательные статьи:



Где возникла философия и почему?

Относительная высота сжатой зоны бетона

Сущность проекции Гаусса-Крюгера и использование ее в геодезии

Тарифы на перевозку пассажиров