Из чего состоит лазер – Что такое лазер? Физические основы работы лазера. Физика для чайников

Что такое лазер?

Лазер — это устройство, создающее узкий пучок интенсивного света. В работе лазера используется свойство электронов атома занимать только определенные орбиты вокруг своего ядра. Когда атом получает квант энергии, он может перейти в возбужденное состояние, которое характеризуется перемещением электронов с самой низкой энергетической орбиты (так называемый основной уровень) на орбиту с более высоким энергетическим уровнем.

Однако электроны не могут долго оставаться на орбите с высокой энергией и самопроизвольно возвращаются на основной уровень, при этом каждый такой электрон испускает фотон (световую волну). Процесс, начавшийся в одном атоме, запускает цепную реакцию перехода электронов других атомов на более низкие энергетические орбиты, в результате чего образуется лавина одинаковых световых волн, согласованно изменяющихся во времени. Эти волны формируют световой луч, который у некоторых лазеров имеет столь высокую мощность, что может резать камни и металлы. Изобретенные в 1960 году, лазеры имеют сейчас очень широкую сферу применения, начиная от медицины (для удаления опухолей) и заканчивая музыкой (для записи и считывания сигналов на компакт-дисках).

Твердотельный лазер

Типичный лазер состоит из трубки с твердым кристаллом, например, рубином (рисунок сверху), закрытой с торцов непрозрачным и частично прозрачным зеркалами. Электрическая обмотка возбуждает атомы кристалла для генерации световых волн, которые перемещаются между зеркалами до тех пор, пока не станут достаточно интенсивными, чтобы пройти через частично прозрачное зеркало.

Создание лазерного луча

1. Электроны каждого атома {на рисунке справа черные точки на внутренних окружностях) в выключенном лазере находятся на основном энергетическом уровне.

2. Сразу же после включения лазера энергия из разрядной трубки переводит электроны на более высокие энергетические орбиты {внешние окружности).

3. Когда электроны начинают возвращаться на основной уровень, они испускают свет, побуждая другие электроны делать то же самое. Результирующий световой пучок имеет одну длину волны и, по мере возвращения новых электронов на низкие орбиты, становится все более мощным.

Более резкий фокус

1. Лазерное излучение (один цвет) 2. Естественный свет (много цветов)

Лазерный пучок содержит свет только одной длины волны и может быть сфокусирован линзой практически в точку (рисунок справа). Естественный свет, состоящий из лучей с различными длинами волн, так резко не фокусируется (дальний рисунок справа). Способность концентрировать огромную энергию в узком луче и передавать этот луч на большие расстояния практически без рассеяния и ослабления, характерных для многоцветного света, делает лазер важнейшим инструментом в руках человека.

information-technology.ru

4.3. Принцип работы лазера

Инверсию населенностей в лазерах создают разными способами. Чаще всего для этого используют облучение светом (оптическая накачка), электрический разряд, электрический ток, химические реакции.

Для того, чтобы от режима усиления перейти к режиму генерации света, в лазере, как и в любом генераторе, используют обратную связь. Обратная связь в лазере осуществляется с помощью оптического резонатора, который в простейшем случае представляет собой пару параллельных зеркал.

Принципиальная схема лазера показана на рис. 6. Она содержит активный элемент, резонатор, источник накачки.

Лазер работает следующим образом. Сначала источник накачки (например, мощная лампа - вспышка), воздействуя на рабочее вещество (активный элемент) лазера, создает в нем инверсию населенностей. Затем инвертированная среда начинает спонтанно испускать кванты света. Под действием спонтанного излучения начинается процесс вынужденного излучения света. Благодаря инверсии населенностей этот процесс носит лавинообразный характер и приводит к экспоненциальному усилению света. Потоки света, идущие в боковых направлениях, быстро покидают активный элемент, не успевая набрать значительную энергию. В тоже время световая волна, распространяющаяся вдоль оси резонатора, многократно проходит через активный элемент, непрерывно набирая энергию. Благодаря частичному пропусканию света одним из зеркал резонатора излучение выводится наружу, образуя лазерный луч.

Рис.6. Принципиальная схема лазера. 1- активный элемент; 2- система накачки;

3- оптический резонатор; 4- генерируемое излучение.

§5. Устройство и работа гелий-неонового лазера

Рис.7. Принципиальная схема гелий - неонового лазера.

1). Лазер состоит из газоразрядной трубки Т длиной от нескольких десятков см. до 1,5-2м и внутренним диаметром 7-10мм. Трубка наполнена смесью гелия (давление~1мм рт.ст.) и неона (давление ~0,1мм рт. ст.). Концы трубки закрыты плоскопараллельными стеклянными или кварцевыми пластинками Р1 и Р2, установленными под углом Брюстера к ее оси. Это создает линейную поляризацию лазерного излучения с электрическим вектором, параллельным плоскости падения. Зеркала S1 и S2, между которыми помещается трубка, делаются обычно сферическими с многослойными диэлектрическими покрытиями. Они имеют высокие коэффициенты отражения и практически не поглощают свет. Пропускаемость зеркала, через которое преимущественно выходит излучение лазера, составляет обычно 2%, другого - менее 1%. Между электродами трубки прикладывается постоянное напряжение 1-2кВ. Катод К трубки может быть холодным, но для увеличения разрядного тока применяют также трубки с пустотелым цилиндрическим анодом, катод которых нагревается низковольтным источником тока. Разрядный ток в трубке составляет несколько десятков миллиампер. Лазер генерирует красный свет с длиной волны =632,8 нм и может генерировать также инфракрасное излучение с длинами волн 1,15 и 3,39 мкм (см. рис. 2). Но тогда необходимо иметь торцевые окна, прозрачные для инфракрасного света, и зеркала с высокими коэффициентами отражения в инфракрасной области.

2). В лазерах индуцированное излучение используется для генерации когерентных световых волн. Идея этого впервые была высказана в 1957 г. А.М. Прохоровым, Н.Г. Басовым и независимо от них Ч. Таунсом. Чтобы активное вещество лазера превратить в генератор световых колебаний, надо осуществить обратную связь. Это означает, что часть излученного света должна все время возвращаться в зону активного вещества и вызвать вынужденное излучение все новых и новых атомов. Для этого активное вещество помещают между двумя зеркалами S

1 и S2 (см. рис.7), которые являются элементами обратной связи. Луч света, претерпевая многократные отражения от зеркал S1 и S2, будет проходить много раз через активное вещество, усиливаясь при этом в результате вынужденных переходов с высшего энергетического уровня '3 на более низкий уровень '1. Получается открытый резонатор, в котором зеркала обеспечивают многократное прохождение (и тем самым усиление) светового потока в активной среде. В реальном лазере часть света, чтобы ее можно было использовать, должна быть выпущена из активной среды наружу. С этой целью одной из зеркал, например S2, делается полупрозрачным.

Такой резонатор будет не только усиливать свет, но также коллимировать и монохроматизировать его. Для простоты предложим сначала, что зеркала S1 и S2 идеальны. Тогда лучи, параллельно оси цилиндра, будут проходить через активное вещество туда и обратно неограниченное число раз. Все же лучи, идущие наклонно, в конце концов, попадут на боковую стенку цилиндра, где они рассеются или выйдут наружу. Ясно поэтому, что максимально усилятся лучи, распространяющиеся параллельно оси цилиндра. Этим и объясняется коллимация лучей. Конечно, строго параллельные лучи получить нельзя. Этому препятствует дифракция света. Угол расхождения лучей принципиально не может быть меньше дифракционного предела

D, где D - ширина пучка. Однако, в лучших газовых лазерах такой предел практически достигнут.

Объясним теперь, как происходит монохроматизация света. Пусть Z - оптическая длина пути между зеркалами. Если 2Z=m, то есть на длине Z укладывается целое число полуволн m, то световая волна, выйдя от S1, после прохождения туда и обратно вернется к S1 в той же фазе. Такая волна усилится при втором и всех следующих прохождениях через активное вещество в прямом и обратном направлениях. Ближайшая длина волны , для которой должно происходить такое же усиление, найдется из условия 2Z=(m1)(). Следовательно, =/m, то есть , как и следовало ожидать совпадает со спектральной областью интерферометрам Фабри-Перо. Учтем теперь, что энергетические уровни '

3 и '1 и спектральные линии, возникающие при переходах между ними, не бесконечно тонкие, а имеют конечную ширину. Предположим, что ширина спектральной линии, излучаемой атомами, меньше дисперсной области прибора. Тогда из всех длин волн, излучаемых атомами, условию 2Z=m может удовлетворять только одна длина волны . Такая волна усилится максимально. Это и ведет к сужению спектральных линий, генерируемых лазером, то есть к монохроматизации света.

Основные свойства пучка лазерного света:

  1. монохроматичность;

  2. пространственная и временная когерентность;

  3. высокая интенсивность;

  4. малая расходимость пучка.

Благодаря высокой когерентности гелий-неоновый лазер служит превосходным источником непрерывного монохроматического излучения для исследования всякого рода интерференционных и дифракционных явлений, осуществления которых с обычными источниками света требует применения специальной аппаратуры.

studfiles.net

Принцип действия лазера: особенности лазерного излучения

Первым принцип действия лазера, физика которого основывалась на законе излучения Планка, теоретически обосновал Эйнштейн в 1917 году. Он описал поглощение, спонтанное и вынужденное электромагнитное излучение с помощью вероятностных коэффициентов (коэффициенты Эйнштейна).

Первопроходцы

Теодор Мейман был первым, кто продемонстрировал принцип действия рубинового лазера, основанный на оптической накачке с помощью лампы-вспышки синтетического рубина, производившего импульсное когерентное излучение с длиной волны 694 нм.

В 1960 г. иранские ученые Джаван и Беннетт создали первый газовый квантовый генератор с использованием смеси газов He и Ne в соотношении 1:10.

В 1962 году Р. Н. Холл продемонстрировал первый диодный лазер из арсенида галлия (GaAs), излучавший на длине волны 850 нм. Позже в том же году Ник Голоняк разработал первый полупроводниковый квантовый генератор видимого света.

Устройство и принцип действия лазеров

Каждая лазерная система состоит из активной среды, помещенной между парой оптически параллельных и высокоотражающих зеркал, одно из которых полупрозрачное, и источника энергии для ее накачки. В качестве среды усиления может выступать твердое тело, жидкость или газ, которые обладают свойством усиливать амплитуду световой волны, проходящей через него, вынужденным излучением с электрической или оптической накачкой. Вещество помещается между парой зеркал таким образом, что свет, отражающийся в них, каждый раз проходит через него и, достигнув значительного усиления, проникает сквозь полупрозрачное зеркало.

Двухуровневые среды

Рассмотрим принцип действия лазера с активной средой, атомы которой имеют только два уровня энергии: возбужденный E2 и базовый Е1. Если атомы с помощью любого механизма накачки (оптического, электрического разряда, пропускания тока или бомбардировки электронами) возбуждаются до состояния E2, то через несколько наносекунд они вернутся в основное положение, излучая фотоны энергии hν = E

2 - E1. Согласно теории Эйнштейна, эмиссия производится двумя различными способами: либо она индуцируется фотоном, либо это происходит спонтанно. В первом случае имеет место вынужденное излучение, а во втором – спонтанное. При тепловом равновесии вероятность вынужденного излучения значительно ниже, чем спонтанного (1:1033), поэтому большинство обычных источников света некогерентны, а лазерная генерация возможна в условиях, отличных от теплового равновесия.

Даже при очень сильной накачке населенность двухуровневых систем можно лишь сделать равной. Поэтому для достижения инверсной населенности оптическим или иным способом накачки требуются трех- или четырехуровневые системы.

Многоуровневые системы

Каков принцип действия трехуровневого лазера? Облучение интенсивным светом частоты ν02 накачивает большое количество атомов с самого низкого уровня энергии E0 до верхнего Е2. Безызлучательный переход атомов с E2 до E1 устанавливает инверсию населенности между E1 и E0, что на практике возможно только, когда атомы длительное время находятся в метастабильном состоянии E1, и переход от Е2 до Е1 происходит быстро. Принцип действия трехуровневого лазера заключается в выполнении этих условий, благодаря чему между E0 и E1 достигается инверсия населенности и происходит усиление фотонов энергией Е10 индуцированного излучения. Более широкий уровень E2 мог бы увеличить диапазон поглощения длин волн для более эффективной накачки, следствием чего является рост вынужденного излучения.

Трехуровневая система требует очень высокой мощности накачки, так как нижний уровень, задействованный в генерации, является базовым. В этом случае для того, чтобы произошла инверсия населенности, до состояния E1 должно быть накачано более половины от общего числа атомов. При этом энергия расходуется впустую. Мощность накачки можно значительно уменьшить, если нижний уровень генерации не будет базовым, что требует, по крайней мере, четырехуровневой системы.

В зависимости от природы активного вещества, лазеры подразделяются на три основные категории, а именно, твердый, жидкий и газовый. С 1958 года, когда впервые наблюдалась генерация в кристалле рубина, ученые и исследователи изучили широкий спектр материалов в каждой категории.

Твердотельный лазер

Принцип действия основан на использовании активной среды, которая образуется путем добавления в изолирующую кристаллическую решетку металла переходной группы (Ti+3, Cr+3, V+2, Со+2, Ni+2, Fe+2, и т. д.), редкоземельных ионов (Ce+3, Pr+3, Nd+3, Pm+3, Sm+2, Eu+2,+3, Tb+3, Dy+3, Ho+3, Er+3, Yb+3, и др.), и актиноидов, подобных U+3. Энергетические уровни ионов отвечают только за генерацию. Физические свойства базового материала, такие как теплопроводность и тепловое расширение, имеют важное значение для эффективной работы лазера. Расположение атомов решетки вокруг легированного иона изменяет ее энергетические уровни. Различные длины волн генерации в активной среде достигаются путем легирования различных материалов одним и тем же ионом.

Гольмиевый лазер

Примером твердотельного лазера является квантовый генератор, в котором гольмий заменяет атом базового вещества кристаллической решетки. Ho:YAG является одним из лучших генерационных материалов. Принцип действия гольмиевого лазера состоит в том, что алюмоиттриевый гранат легируется ионами гольмия, оптически накачивается лампой-вспышкой и излучает на длине волны 2097 нм в ИК-диапазоне, хорошо поглощаемом тканями. Используется этот лазер для операций на суставах, в лечении зубов, для испарения раковых клеток, почечных и желчных камней.

Полупроводниковый квантовый генератор

Лазеры на квантовых ямах недороги, позволяют массовое производство и легко масштабируются. Принцип действия полупроводникового лазера основан на использовании диода с p-n-переходом, который производит свет определенной длины волны путем рекомбинации носителя при положительном смещении, подобно светодиодам. LED излучают спонтанно, а лазерные диоды – вынужденно. Чтобы выполнить условие инверсии заселенности, рабочий ток должен превышать пороговое значение. Активная среда в полупроводниковом диоде имеет вид соединительной области двух двумерных слоев.

Принцип действия лазера данного типа таков, что для поддержания колебаний никакого наружного зеркала не требуется. Отражающая способность, создаваемая благодаря показателю преломления слоев и внутреннему отражению активной среды, для этой цели достаточна. Торцевые поверхности диодов скалываются, что обеспечивает параллельность отражающих поверхностей.

Соединение, образованное полупроводниковыми материалами одного типа, называется гомопереходом, а созданное соединением двух разных – гетеропереходом.

Полупроводники р и n типа с высокой плотностью носителей образуют р-n-переход с очень тонким (≈1 мкм) обедненным слоем.

Газовый лазер

Принцип действия и использование лазера этого типа позволяет создавать устройства практически любой мощности (от милливатта до мегаватта) и длин волн (от УФ до ИК) и позволяет работать в импульсном и непрерывном режимах. Исходя из природы активных сред, различают три типа газовых квантовых генераторов, а именно атомные, ионные, и молекулярные.

Большинство газовых лазеров накачиваются электрическим разрядом. Электроны в разрядной трубке ускоряются электрическим полем между электродами. Они сталкиваются с атомами, ионами или молекулами активной среды и индуцируют переход на более высокие энергетические уровни для достижения состояния населения инверсии и вынужденного излучения.

Молекулярный лазер

Принцип действия лазера основан на том, что, в отличие от изолированных атомов и ионов, в атомных и ионных квантовых генераторах молекулы обладают широкими энергетическими зонами дискретных энергетических уровней. При этом каждый электронный энергетический уровень имеет большое число колебательных уровней, а те, в свою очередь, - несколько вращательных.

Энергия между электронными энергетическими уровнями находится в УФ и видимой областях спектра, в то время как между колебательно-вращательными уровнями - в дальней и ближней ИК областях. Таким образом, большинство молекулярных квантовых генераторов работает в далекой или ближней ИК областях.

Эксимерные лазеры

Эксимеры представляют собой такие молекулы как ArF, KrF, XeCl, которые имеют разделенное основное состояние и стабильны на первом уровне. Принцип действия лазера следующий. Как правило, в основном состоянии число молекул мало, поэтому прямая накачка из основного состояния не представляется возможной. Молекулы образуются в первом возбужденном электронном состоянии путем соединения обладающих большой энергией галогенидов с инертными газами. Населенность инверсии легко достигается, так как число молекул на базовом уровне слишком мало, по сравнению с возбужденным. Принцип действия лазера, кратко говоря, состоит в переходе из связанного возбужденного электронного состояния в диссоциативное основное состояние. Населенность в основном состоянии всегда остается на низком уровне, потому что молекулы в этой точке диссоциируют на атомы.

Устройство и принцип действия лазеров состоит в том, что разрядную трубку наполняют смесью галогенида (F2) и редкоземельного газа (Ar). Электроны в ней диссоциируют и ионизируют молекулы галогенида и создают отрицательно заряженные ионы. Положительные ионы Ar+ и отрицательные F- реагируют и производят молекулы ArF в первом возбужденном связанном состоянии с последующим их переходом в отталкивающее базовое состояние и генерацией когерентного излучения. Эксимерный лазер, принцип действия и применение которого мы сейчас рассматриваем, может применяться для накачки активной среды на красителях.

Жидкостный лазер

По сравнению с твердыми веществами, жидкости более однородны, и обладают большей плотностью активных атомов, по сравнению с газами. В дополнение к этому, они не сложны в производстве, позволяют просто отводить тепло и могут быть легко заменены. Принцип действия лазера состоит в использовании в качестве активной среды органических красителей, таких как DCM (4-дицианометилен-2-метил-6-p- диметиламиностирил-4Н-пиран), родамина, стирила, LDS, кумарина, стильбена, и т. д., растворенных в надлежащем растворителе. Раствор молекул красителя возбуждается излучением, длина волны которого обладает хорошим коэффициентом поглощения. Принцип действия лазера, кратко говоря, заключается в генерации на большей длине волны, называемой флуоресценцией. Разница между поглощенной энергией и излучаемыми фотонами используется безызлучательными энергетическими переходами и нагревает систему.

Более широкая полоса флуоресценции жидкостных квантовых генераторов обладает уникальной особенностью – перестройкой длины волны. Принцип действия и использование лазера этого типа как настраиваемого и когерентного источника света, приобретает все большее значение в спектроскопии, голографии, и в биомедицинских приложениях.

Недавно квантовые генераторы на красителях стали использоваться для разделения изотопов. В этом случае лазер избирательно возбуждает один из них, побуждая вступить в химическую реакцию.

fb.ru

Лазер - устройство и принцип действия


Лазер – одно из наиболее ярких и полезных изобретений XX века, открывшее перед человечеством огромное количество новых направлений деятельности.

Прежде всего, давайте разберемся, что это такое – лазер?

Английское слово LASER образовано от сокращения «light amplification by stimulated emission of radiation», что в переводе на русский означает «усиление света посредством вынужденного излучения». И здесь что ни слово – то скрытый физический смысл.


Лазерный луч представляет собой когерентный, монохромный, поляризованный узконаправленный световой поток. Если говорить человеческим языком, то это означает следующее:

  • Когерентный – то есть такой, где частота излучения всеми источниками синхронна (а надо понимать, что свет – это электромагнитная волна, испускаемая атомами и обладающая своей частотой).
  • Монохромный – значит сосредоточенный в узком диапазоне длинны волны.
  • Поляризованный – обладающий направленным вектором колебания электромагнитного поля (само это колебание – и есть световая волна).

Одним словом, это луч света, испускаемый мало того, что синхронными источниками, так еще и в очень узком диапазоне, причем направленно. Этакий чрезвычайно сконцентрированный световой поток.

Устройство лазера.

Толку от самого физического понятия о лазере было бы немного, если бы его не умели создавать. Основой устройства служит оптический квантовый генератор, который, используя электрическую, химическую, тепловую или какую-то другую энергию, производит лазерный луч. А производит он его посредством вынужденного или, как еще говорят, индуцированного излучения – то есть когда атом, в который попадает фотон (частица света), не поглощает его, а излучает еще один фотон, являющийся точной копией первого (когерентный). Таким образом, происходит усиление света.

Лазеры как правило состоят из трех частей:

  • Источник энергии или механизм накачки;
  • Рабочее тело;
  • Система зеркал или оптический резонатор.



За что отвечает каждая из этих частей:

Источник энергии, что очевидно из названия, подает необходимую для работы устройства энергию. Для лазеров применяются различные виды энергии, зависящие от того, что именно используется в качестве рабочего тела. Такой первоначальной энергией, в числе прочего, может выступать и другой источник света, а также электрический разряд, химическая реакция и т.д. Здесь нужно упомянуть, что свет – это передача энергии и фотон – не только частица или, говоря иначе, квант света, но и частица энергии.

Рабочее тело – это наиболее важная составляющая лазера. Оно как раз и является телом, в котором находятся атомы, излучающие когерентные фотоны. Для того, чтобы процесс излучения когерентных фотонов произошел, рабочее тело подвергается энергетической накачке, которая приводит, грубо говоря, к тому, что большая часть атомов, из которых состоит рабочее тело, перешли в возбужденное  энергетическое состоянии с общим знаменателем. В этом состоянии переход к обратному – основному - не возбужденному состоянию произойдет, если через атом пройдет фотон, соответствующий по своей энергии разнице между этими двумя состояниями атома. Таким образом, возбужденный атом, при переходе в основное состояние добавляет к «пролетавшему через него» фотону его точную копию.

Именно рабочее тело определяет все наиболее важные характеристика лазера, такие как мощность, диапазон и т.п. Выбор рабочего тела производится из соображений, диктуемых нам тем, что мы хотим получить от этого лазера.

Ну и, соответственно, вариантов тут очень много: все агрегатные состояний (газ, твердое, жидкость и даже плазма), всевозможные материалы, используются также и полупроводники (например, в CD приводах).

Оптический резонатор – это обыкновенная система зеркал, расположенных вокруг рабочего тела, ведь оно излучает свет во всех направлениях, а нам нужно собрать в один узкий пучок. Для этой цели и служит оптический резонатор.




Применение лазер находит всюду, лишь бы хватило инженерной мысли додуматься как в тех или иных случаях применить эту технологию. Им есть место и в медицине, и в промышленности, и в быту, и в военном деле, и даже для передачи информации.


silris.blogspot.com

Принцип работы лазера и его использование

В 1917 году Альберт Эйнштейн впервые в истории заявил о том, что под влиянием внешнего воздействия определенного характера атом может перейти со своего высшего энергетического состояния в низшее, в результате чего будет получено излучение нового типа. Такому излучению впоследствии физики дали название «вынужденное излучение». Именно оно составляет принцип работы лазера.

Лазером называется квантовый генератор электромагнитных волн, который действует в видимом диапазоне спектра, являющегося источником электромагнитного излучения видимого диапазона, а также инфракрасного и ультрафиолетового. В основе данного процесса лежит вынужденное излучение молекул и атомов.

Принцип работы лазера кратко

Следует отметить, что принцип действия лазера очень сложен. Согласно предложенной физиком Резерфордом планетарной модели атома, электроны в атомах разных веществ осуществляют движение вокруг ядра по так называемым энергетическим орбитам. Каждой из этих орбит соответствует определенное значение энергии, которой обладает электрон. В обычном, спокойном состоянии электроны атома находятся на более низких энергетических уровнях и обладают только способностью поглощать излучение, непосредственно падающее на них.

При взаимодействии с излучением атом получает дополнительную энергию, вследствие чего один или несколько электронов перемещаются на орбиты, которые критически удалены от ядра, то есть переходят на самые высокие энергетические уровни. В данном случае говорят, что произошел переход атома в возбужденное состояние. Поглощение энергии осуществляется четко разграниченными порциями — так называемыми квантами.

Атом получает избыточное количество энергии, которая не может оставаться в нем продолжительное время — поэтому атом стремится от излишней энергии избавиться. При определенных условиях возбужденный атом может избавляться от полученной энергии тоже строго определенными порциями, а при излучении электроны будут возвращаться на прежний энергетический уровень. При этом формируются кванты света (фотоны), показатель энергии которых равен разности энергии, полученной на двух уровнях. Таким образом, осуществляется самопроизвольное излучение энергии.

Следует отметить, что возбужденные атомы могут излучать энергию не только сами по себе, но также под влиянием падающего излучения. В данном случае квант, который был излучен, и квант, который «породил» его, аналогичны друг другу. Таким образом, индуцированное излучение (то есть то, которое было вызвано под воздействием определенных обстоятельств) имеет волну такой же длины, что и волна, которая его вызвала. Если количество электронов, которые переходят на верхние энергетические уровни, будет увеличиваться, то одновременно будет нарастать вероятность индуцированного излучения.

В так называемых инверсных системах атомов электроны накапливаются, как правило, на более высоких энергетических уровнях, и процессы излучения квантов являются превалирующими над процессами поглощения.

Инверсные системы применяются при формировании лазеров — оптических квантовых генераторов. Эту активную среду располагают в оптическом резонаторе, который включает два высококачественных зеркала, размещенных параллельно по отношению друг к другу по обе стороны активной среды. Оказавшиеся в этой среде кванты излучения пересекают активную среду, отражаясь от зеркал бесчисленное число раз. Каждый квант приводит к появлению одного или нескольких квантов благодаря излучению атомов, которые находятся на более высоких уровнях.

Лазер, чьей активной средой является смесь неона и гелия, называется гелий-неоновым лазером. Такие лазеры применяются для проведения лабораторных опытов, а также в оптике. Рабочая длина волны составляет 632,8 нм, а располагается она в красной зоне видимого спектра.

Рассмотрим устройство и принцип работы гелий-неонового лазера. Его рабочим телом является смесь гелия и неона в соотношении 5:1. Эта смесь помещается в стеклянную колбу под низким давлением (300 Па). Энергия накачивания образуется от находящихся в торцах колбы от двух электрических разрядников, напряжение которых составляет 1000 вольт.

Резонатор гелий-неонового лазера состоит из двух зеркал: одно из них полностью непрозрачное с одной стороны колбы, второе пропускает на выходной стороне устройства 1% падающего излучения.

Одна из главных отличительных особенностей гелий-неоновых лазеров — компактность. Как правило, размер резонатора составляет от 15 до 50 см, мощность — 1–100 мВт.

Рабочее тело гелий-неонового лазера — смесь гелия и неона в соотношении 5:1. Смесь находится в стеклянной колбе под давлением 300 Па, энергия накачки подается от двух расположенных в торцах колбы электрических разрядников, напряжение которых составляет около 1000 вольт.

 

 

gosindex.ru

Как устроен лазер?


Описанные физические идеи позволили советским академикам Н. Г. Басову, А. М. Прохорову и американскому физику Ч. Таунсу в 1954 году, используя возбужденные молекулы аммиака, разработать «мазер» — мощный излучатель радиоволн. Эта выдающаяся научная работа была заслуженно отмечена Нобелевской премией по физике.

А что, если подобным же образом, изменив состав газа, создать и лазер — источник оптического излучения? Для этого различие между спокойным и возбужденным состоянием газовых молекул по количеству запасенной энергии должно быть в точности равно энергии квантов видимого и невидимого света. А для того, чтобы лазер излучал непрерывно, а не короткими, хотя и сильными вспышками, необходимо все время перебрасывать электроны с нижнего уровня на верхний. Ученые никак не могли придумать, как это сделать.

Опытные доказательства квантовых переходов внутри атома, как и разгадка фотоэлектрического эффекта, позволили всем скептикам, в том числе и самому Планку, удостовериться в реальном существовании частиц излучения. Вывод закона излучения не был простой игрой в формулы.

Макс Планк написал в своих биографических заметках, что новые идеи в науке чаще всего побеждают потому, что постепенно умирают защитники старых. Квантовые взгляды самого Планка пришли в физику, к счастью, не столь грустным и длительным путем.

Лазерным лучом приваривают тончайшие проводки к электронным схемам.Лазеры участвуют в операциях, вырезая поврежденные сосуды и участки кожи.

Все вычисления, сделанные по формуле Планка, расчеты энергии квантов или фотонов разных длин волн с высокой степенью точности совпали с экспериментом. Например, когда квантами определенной энергии облучали атом, для которого было известно энергетическое расстояние между возбужденным и невозбужденным состоянием электрона, электрон всегда послушно перескакивал с одной орбиты на другую, заранее теоретически предсказанную.

Вероятно, именно это обстоятельство и навело ученых на мысль: лучше всех справится с задачей постоянной «переброски» возвратившихся электронов снова с нижнего уровня на верхний… свет, излучаемый самим лазером. Просто надо выпускать из лазера не весь свет — небольшое его количество необходимо вернуть обратно в кристалл для повторного возбуждения электронов.

В 60-х годах нашего столетия были созданы лазеры из различных материалов: из кристаллов рубина с примесью атомов хрома, из стекла с добавками редкоземельных элементов, лазеры газовые, жидкостные, полупроводниковые, химические.

Внешне любой лазер устроен очень просто. Например, кристалл-стержень из рубина обычно окружен трубчатыми лампами-вспышками. Иногда лампа-вспышка изготавливается в виде спирали и надевается на длинный кристалл, напоминая змею, обвивающую трость дрессировщика. С обоих торцов кристалла ставят два зеркала: одно сплошное, другое полупрозрачное.

Слабый свет излучает лазер в первые мгновения. После многократных отражений между зеркалами начинает возбуждаться все больше атомов внутри кристалла. Процесс напоминает лавину в горах, и через доли секунды стремительный поток красного света вырывается сквозь полупрозрачное зеркало. Часть света лазера продолжает раскачиваться между зеркалами, поддерживая непрерывную работу «световой пушки».

Веселый фантазер барон Мюнхгаузен летал верхом на пушечных ядрах и утверждал, что жители Луны воюют друг с другом,восседая на трехглавых гусях. Сколько выдумок подарил бы нам Мюнхгаузен, если бы он хоть раз заглянул в современный оптический телескоп!

Это сравнение не случайно. Лучи света, испускаемые лазером, не только обладают большой энергией и способностью легко сверлить отверстия в стали, пробивать бетонные стены и сваривать самые тугоплавкие материалы. Эти лучи строго параллельны друг другу и мало расходятся в стороны после преодоления очень больших расстояний. Именно поэтому лучи лазера были выбраны для светового выстрела по Луне…

Если на Луну послать пучок радиоволн с помощью, например, радиотелескопа в г. Пущино под Москвой, выполненного в виде зеркальной чаши диаметром 22 метра, то на поверхность естественного спутника Земли попадет лишь небольшая часть сигнала. Пучок радиоволн, пробежав в космосе 300 тысяч километров, расплывается в пятно с поперечником в 30 тысяч километров, намного превышающим размер Луны! Лазер, испускающий невидимые инфракрасные волны, «осветит» на Луне круг диаметром 2—3 километра, а лазерный источник видимых лучей образует пятно еще меньшего размера.

Благодаря этим экспериментам расстояние от Земли до Луны известно с точностью до 10 метров! Прохождению лучей с наземных установок в космос мешает воздушная атмосфера, и ученые задумали установить лазеры на спутниках Земли.

Для измерения расстояния между Землей и Луной советские и французские инженеры использовали именно лазерные лучи. Да и барон Мюнхгаузен, живи он в наше время, несомненно, выбрал бы для путешествия на Луну и для разведывательных полетов в лагерь неприятеля легкий и точный луч лазера…

Источник: Марк Колтун “Мир физики“.

www.thingshistory.com

Теоретические основы лазерной технологии

1. Принцип действия и устройство лазера

Лазер - это генератор когерентного света. Идеальная когерент­ная (упорядоченная) волна имеет строго определенные длину и час­тоту, плоский фронт и является идеально поляризованной. Некоге­рентные (неупорядоченные) волны характеризуются разбросом частот и длин волн в достаточно большом интервале значений и не имеют определенной плоскости поляризации.

В природе отсутствуют как идеально когерентные, так и неко­герентные световые волны. Независимо от источника световые волны характеризуются разбросом своих характеристик в некотором интер­вале значений. Чем эти интервалы уже, тем более упорядоченным, когерентным является световое излучение. Несколько упрощенно ре­альную световую волну можно рассматривать как набор плоских мо­нохроматических поляризованных волн с разными частотами, направ­лениями распространения и плоскостями поляризации. Повышение ко­герентности излучения можно понимать как сокращение числа разных волн в наборе. В идеальном когерентном излучении, к которому приближается лазерное, весь набор состоит из единственной волны.

Когерентное излучение обладает такими свойствами, как мо­нохроматичность, малая расходимость луча, высокая яркость. Это позволяет фокусировать лазерное излучение на поверхность обраба­тываемого материала с помощью простой оптической системы. Линей­ные размеры сфокусированного лазерного луча (пятна) могут дости­гать долей микрометра. При таких малых размерах вся энергия из­лучения концентрируется на площадке в миллионные доли квадратно­го сантиметра, создавая на поверхности плотность энергии в сотни миллиардов Ватт на квадратный сантиметр. Таким образом, сфокуси­рованный когерентный луч может испарять самые тугоплавкие мате­риалы.

Слово лазер состоит из начальных букв английского словосо­четания Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский - усиление света вынужденным испуска­нием.

Работа лазера основана на ис­пользовании запасов внутренней энергии атомов и молекул вещест­ва, образующих микросистемы – образования, состоящие из ядер и электронов, поведение и состояние которых под­чиняются законам квантовой механики.

Энергия относительного движения частиц, составляющих атомы может принимать только строго определенные значения. Эти значения энергии Е1, Е2,…, Ек называются уровнями энергии. Система энергетических уровней составляет энергетический спектр атома. Нижний уровень – с минимальной энергией – называется основным, остальные – возбужденными. Энергетический спектр изолированного атома зависит от его структуры. Число атомов, обладающих данной энергией, называют населенностью уровня.

Если атому, находящемуся на основном уровне Е1, сообщить энергию, он может перейти на один из возбужденных уровней (рис.1). Наоборот, возбужденный атом может самопроизвольно (спонтанно) перейти на один из нижележащих уровней, излучив при этом определенную порцию энергии в виде кванта света (фотона). Если излучение света происходит при переходе атома с уровня энергии Еm на уровень Еn, то частота испускаемого (или поглощаемого) кванта света mn:

(1.1)

где h – постоянная Планка.

Рис.1. Энергетический спектр атома

Именно такие спонтанные процессы излучения происходят в нагретых телах и светящихся газах: нагревание или электрический разряд переводят часть атомов в возбужденное состояние; переходя в нижние состояния, они излучают свет. В процессе спонтанных переходов атомы излучают свет независимо один от другого. Кванты света хаотически испускаются в виде волновых цугов(пакетов). Цуги не согласованы друг с другом во времени, т.е. имеют различную фазу. Поэтому спонтанное излучение некогерентно.

Наряду со спонтанным излучением возбужденного атома существует вынужденное (или индуцированное) излучение: атомы излучают под действием внешнего быстропеременного электромагнитного поля, например света. При этом оказывается, что под действием внешней электромагнитной волны атом излучает вторичную волну, у которой частота, поляризация, направление распространения и фаза полностью совпадают с характеристиками внешней волны, действующей на атом. Явление вынужденного излучения дает возможность управлять излучением атомов с помощью электромагнитных волн и таким путем усиливать и генерировать когерентный свет. Чтобы осуществить это практически, нужно удовлетворить определенным условиям. Во-первых, необходим резонанс – совпадение частоты падающего света с одной из частот mn энергетического спектра атома. О выполнении резонансного условия позаботилась сама природа: если световой фотон испущен спонтанно при переходе атома с более высокого уровня Еm на уровень Еn, то его частота равна mn и будет соответствовать переходу между аналогичными уровнями другого такого же атома, т.к. энергетический спектр одинаковых атомов абсолютно идентичен. В дальнейшем вынужденное излучение возбужденных атомов порождает целую лавину фотонов, во всем подобных первичному фотону. В результате совокупность атомов испустит интенсивную когерентную световую волну, т.е. будет осуществлена генерация когерентного света. Другое условие связано с населенностью различных уровней. Наряду с вынужденным излучением света атомами, находящимися на верхнем уровне Em, происходит также резонансное поглощение атомов, населяющих нижний уровень Еn. Атом, находящийся на нижнем уровне Еn, поглощает световой квант, переходя при этом на верхний уровень Еm. Резонансное поглощение препятствует возникновению инерции света. Будет ли в итоге система атомов генерировать свет или нет, зависит от того, каких атомов в веществе больше. Для возникновения генерации необходимо, чтобы число атомов на верхнем уровне Nm было больше числа атомов на нижнем уровне Nn, между которыми происходит переход.

В естественных условиях на более высоком уровне при любой температуре меньше частиц, чем на более низком. Поэтому любое тело, сколь угодно сильно нагретое, не будет генерировать свет за счет вынужденных переходов.

Для возбуждения генерации когерентного света необходимо принять специальные меры, чтобы из двух выбранных уровней верхний был заселен больше, чем нижний. Состояние вещества, в котором число атомов на одном из уровней с более высокой энергией больше числа атомов на уровне с меньшей энергией, называют активным, или состоянием с инверсией (обращением) населенностей. Таким образом, для возбуждения генерации когерентного света необходима инверсия населенностей для той пары уровней, переход между которыми соответствует частоте генерации.

Вторая проблема, которую необходимо решить для создания лазера, - это проблема обратной связи. Для того чтобы свет управлял излучением атомов, необходимо, чтобы часть излучаемой световой энергии все время оставалась внутри рабочего вещества, вызывая вынужденное излучение света все новыми и новыми ато­мами. Это осуществляется с помощью зеркал. В простейшем случае рабочее вещество помещается между двумя зеркалами, одно из которых полупрозрачно (рис.2). Испущенная в каком-либо месте в резуль­тате спонтанного перехода атома световая волна усиливается за счет вынужденного испускания при распространении ее через рабочее вещество. Дойдя до полупрозрачного зеркала, свет ча­стично пройдет через него. Эта часть световой энергии излучается лазером во вне и может быть использована. Часть же света, отразившаяся от полупрозрачного зеркала, даст начало новой лавине фотонов. Эта лавина не будет отличаться от предыдущей в силу свойств вынужденного испускания.

Рис.2. Схема возбуждения генерации когерентного света

Но выполнение двух описанных условий еще недостаточно. Для того чтобы возникла генерация света, усиление в активном веществе должно быть достаточно большим. Оно должно превышать некоторое значение, называемое пороговым. Действительно, пусть часть светового потока, падающего на полупрозрачное зеркало, отразилась назад. Усиление на двойном расстоянии между зеркалами (один проход) должно быть таким, чтобы на полупрозрачное зеркало вернулась световая энергия, не меньшая, чем в предыдущий раз. Только тогда световая волна начнет нарастать от прохода к проходу. Если же этого нет, то в течение второго прохода полупрозрачного зеркала достигнет меньшая энергия, чем в предыдущий момент, в течение третьего – еще меньшая и т.д. Процесс ослабления будет продолжаться до тех пор, пока световой поток не затухнет полностью. Ясно, что чем меньше коэффициент отражения полупрозрачного зеркала, тем большим пороговым усилением должно обладать рабочее вещество.

Итак, для создания источника когерентного света необходимы следующие требования:

  • нужно рабочее вещество с инверсной заселенностью, только тогда можно получить усиление света за счет вынужденных переходов;

  • рабочее вещество следует поместить между зеркалами, которые осуществляют обратную связь;

  • усиление, даваемое рабочим веществом, а значит, число возбужденных атомов или молекул в рабочем веществе должно быть больше порогового значения, зависящего от коэффициента отражения полупрозрачного зеркала.

Способы создания инверсии. Существует несколько способов создания инверсии (накачки активной среды): оптический, тепло­вой, химический, с помощью электронного луча, с использованием самостоятельного электрического разряда и др.

Из приведенных способов рассмотрим оптическую накачку и на­качку с использованием самостоятельного электрического разряда.

Первый способ является универсальным и применяется для воз­буждения различных активных сред - диэлектрических кристаллов, стекол, жидкостей, газовых смесей. Оптическое возбуждение может использоваться так же, как составной элемент некоторых других способов накачки (например, электроионизационного и химического).

Второй способ применяют для накачки разреженных газообразных ак­тивных сред.

Оба способа, как и многие другие, допускают импульсную и непрерывную накачки. При оптическом способе могут использоваться газоразрядные импульсные лампы либо лампы непрерывного горения. При накачке с использованием электрического разряда применяют импульсные разряды и стационарные. При импульсной накачке энер­гия возбуждения поступает в активный элемент порциями (импульса­ми), а при непрерывной - непрерывно (стабильно).

Импульсная накачка (по сравнению с непрерывной накачкой) об­ладает рядом преимуществ, поскольку обеспечивает генерацию в большинстве активных сред, ее легче реализовывать с технической точки зрения, при этом не требуется принудительного охлаждения активного элемента из-за его незначительного нагрева. При им­пульсной накачке возможны различные режимы генерации; лазерное излучение формируется в виде одиночных световых импульсов или последовательности импульсов. При этом достигают высокой кон­центрации излучаемой энергии во времени и пространстве (сверхко­роткие световые импульсы мощностью до 1012 Вт).

Возбуждение активных центров при оптической накачке происхо­дит в результате поглощения излучения от специального источника света.

При накачке самостоятельным электрическим разрядом заселение верхних уровней происходит в результате неупругих столкновений активных центров со свободными электронами плазмы.

При электроионизационной накачке быстрые электроны, возбуж­дающие колебательные состояния молекул газа (в частности, азота и диоксида углерода), образуются не в самостоятельном разряде, а под действием ионизирующего излучения и ускоряющего внешнего по­ля. В качестве ионизирующего излучения используют пучок электро­нов из ускорителя.

Та­ким образом, любой лазер состоит из трех основных частей: актив­ного элемента, оптического резонатора и системы накачки. Функци­ональная схема лазера представлена на рис.3.

Рис.3. Функциональная схема лазера: 1 – активный элемент; 2 – зеркало резонатора; 3 – элемент резонатора; 4 – система накачки

Твердотельные лазеры. Твердотельными называют лазеры, актив­ная среда которых представляет собой кристалл диэлектрика или стекло с введенными в них ионами, играющими роль активных цент­ров.

Схема оптической накачки в твердотельном лазере показана на рис.4. Газоразрядная лампа-вспышка 2 (источник накачки) имеет форму прямого цилиндра и размещается параллельно активному эле­менту 1. Лампу и активный элемент устанавливают внутри отражате­ля 3 таким образом, что в каждом сечении, перпендикулярном оси ци­линдра, они находятся в фокусах эллипса. Вследствие этого свето­вые лучи, выходящие из одного фокуса, после отражения от эллип­тической поверхности попадают на активный элемент, обеспечивая максимальную фокусировку. Еще большей выходной мощности лазера достигают использованием двухламповых отражателей.

Рис.4. Схема оптической накачки в твердотельном лазере: 1 - ак­тивный элемент, 2 - лам­па-вспышка (источник накачки), 3 - отражатели

В твердотельных лазерах оптическими резонаторами служат про­тивоположные грани активных элементов, на которые напыляется слой металла.

Впервые лазерная генерация была получена на рубине. Рубин образуется при растворении небольших количеств Cr2O3 в сапфире Al2O3. Розовый цвет обусловлен широкими полосами поглощения ионов Cr3+, что дает возможность при накачке получать лазерные перехо­ды в красной области. Длина волны излучения лазера при комнатной температуре составляет 0,6943 мкм.

Кристаллы рубина обладают большой механической прочностью и теплопроводностью. Благодаря этим качествам кристаллов, а также возможности выращивания однородных по длине и сечению слитков практически любой длины и диаметра лазеры на рубине получили ши­рокое распространение.

Рубиновые лазеры работают в импульсном или непрерывном режи­ме. Из-за низкого кпд (~ 0,1%) рубиновый лазер непрерывного действия неэкономичен по сравнению с другими твердотельными ла­зерами непрерывного действия. Накачку лазера осуществляют спи­ральными или линейными ксеноновыми импульсными лампами.

Лазеры на алюмоиттриевом гранате с добавлением химического элемента неодима (АИГ:Nd-лазеры) нашли наиболее широкое примене­ние среди всех твердотельных лазеров, так как обладают достаточ­но высоким кпд, большой выходной мощностью и не перегреваются при большой частоте следования световых импульсов. Длина волны излучения АИГ:Nd-лазера 1,06 мкм. Накачку лазера производят ксе­ноновыми или криптоновыми лампами.

Кроме того, широко используют лазеры на неодимовом стекле, которые также являются относительно эффективными источниками ко­герентного излучения в окрестности длины волны 1,06 мкм. Относи­тельная легкость обработки стекла позволяет не только получать активные элементы в виде стержней длиной до 2 м или пластин с поперечными размерами до 10 см, но и создавать конструкции тон­копленочных усилителей и волоконных лазеров длиной в несколько десятков метров. Благодаря этому такие лазеры используют в ин­тегрально-оптических системах.

Газовые лазеры. В этих лазерах инверсия населенностей уровней создается за счет возбуждения атомов или молекул газа при их соударениях со свободными электронами, образующимися в электрическом разряде. Давление в газоразрядных лазерах выбирается в пределах от сотых долей до нескольких мм рт.ст. При меньших давлениях электроны, ускоренные электрическим полем, очень редко сталкиваются с атомами. При этом ионизация и возбуждение атомов происходит недостаточно интенсивно. При больших давлениях эти столкновения становятся, наоборот слишком частыми. Благодаря этому электроны не успевают достаточно ускоряться в электрическом поле и приобрести энергию, необходимую для ионизации и возбуждения атомов, т.е. столкновения становятся мало эффективными.

Различают три типа газоразрядных лазеров: лазеры на нейтральных атомах, ионные лазеры и молекулярные лазеры. Они отличаются друг от друга как механизмом образования инверсии населенностей, так и диапазонами генерируемых длин волн. Различие в диапазонах обусловлено различиями в энергетическом спектре нейтральных атомов, молекул и ионов.

Лазеры с активным элементом, состоящим из смеси гелия и неона (10:1), - He-Ne-лазер - является газоразряд­ным на атомных переходах, генерирующих излучение длиной волны 0,6328 мкм.

Аргоновый и крип­тоновый ионные лазеры являются самыми мощными среди лазеров неп­рерывного действия в видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра. Как правило, промышленные приборы имеют мощность 10-20 Вт в области 0,5 мкм и 1-2 Вт - в окрестностях 0,35 мкм, кпд ла­зеров не превышает 0,1%.

Наибольшим кпд преобразования (до 40%) электроэнергии в энергию излучения по сравнению с другими газовыми лазерами обла­дают лазеры на углекислом газе (СО2-лазеры). Они просты в экс­плуатации при высоких мощностях, поэтому широко применяются в промышленности.

Рис.6. Устройство СО2-лазера с разделением областей разряда и рабочего объема резонатора: 1 - система прокачки азота, 2 - об­ласть электрического разряда, 3 - рабочий объем резонатора, 4 - выходное зеркало резонатора, 5 - система прокачки диоксида уг­лерода

Активная среда СО2-лазера состоит из смеси газов диоксида углерода, молекулярного азота и небольшого количества гелия и паров воды. Возбуждение лазера проводится тлеющим разрядом. Ла­зер (рис.6) имеет отдельные системы прокачки диоксида углерода 5 и азота 1. Молекулы азота, попадающие в область электрического разряда рабочего капилляра 2, возбуждаются при столкновении с электронами. Далее они попадают в рабочий объем резонатора 3, где смешиваются с невозбужденными молекулами СО2 и передают им свою энергию.

СО2-лазер генерирует излучение длинами волн 0,940 и 1,040 мкм и может работать в непрерывном и импульсном режимах. В пер­вом случае лазер возбуждается продольным электрическим разрядом в цилиндрической трубке. Так устроены все промышленные непрерыв­ные СО2-лазеры мощностью до 800 Вт. Во втором случае СО2-лазеры могут генерировать импульсы энергией до 2 кДж, электроионизаци­онные - энергией более 2 кДж.

Химические лазеры. Кроме электрического разряда, инверсия населенностей уровней атомов и молекул в газовых лазерах может создаваться в результате химических реакций, при которых образуются атомы или радикалы в возбужденных состояниях. Так как обычные реакции протекают довольно медленно, то они непригодны для создания инверсии населенностей. Прежде чем накопится достаточно много возбужденных атомов, они успеют перейти в основное состояние, и лазер работать не будет. По этой причине химические лазеры могут работать только на быстропротекающих реакциях, таких как фотодиссоциация молекул (распад молекулы на несколько частей под действием света), взрыв или химические реакции между атомами или молекулами во встречных пучках атомов или молекул различных веществ. Химический метод создания инверсий населенностей принципиально допускает создание лазеров с очень высокими кпд и выходной мощностью. Лазер на фотодиссоциации молекул CF3J создает высокие мощности света (до 50 кВт) при энергии в импульсе до 65 Дж. Особенно большую мощность могут дать лазеры, работающие на взрывах.

Устройство лазерных технологических установок.В настоящее время в технологии производства изделий электронной техники ис­пользуются различные лазерные технологические установки, которые независимо от их назначения имеют общую структурную схему и ана­логичные конструктивные элементы (рис.7).

Лазер 2 является основным источником энергии, обеспечивающим выполнение технологического процесса. Оптическая система 5 фоку­сирует лазерное излучение 4 в световой пучок и направляет его на обрабатываемый объект 7. Кроме того, с помощью оптической систе­мы 5 проводят визуальный контроль положения обрабатываемой дета­ли относительно луча, наблюдают за ходом выполнения процесса и оценивают его результаты. С помощью устройства 8 перемещают об­рабатываемую деталь 7 во время технологического процесса, фикси­руют ее в заданном положении и сменяют детали после обработки.

Для проведения некоторых технологических процессов требуется создание специфических условий (например, подача в рабочую зону определенной технологической среды). Для этого в установках пре­дусматривают соответствующее устройство 10, позволяющее подавать инертный газ при проведении сварки.

В некоторых случаях в зону обработки вводят механическую или электромагнитную энергию, усиливающую эффективность лазерной об­работки. Проведение комбинированных процессов (газолазерной рез­ки, лазерно-искровой обработки отверстий и др.) обеспечивается источником вспомогательной энергии 6, вводимым в установку. Пе­ремещением обрабатываемой детали и положением лазера управляют программным устройством 1. Излучение контролируют датчиком 3, температуру зоны обработки, состояние поверхности обрабатываемой детали - датчиком 9, которым кроме того корректируют параметры или прекращают операцию.

Рис.7. Структурная схема лазер­ной технологической установки: 1 - программной устройство, 2 - лазер, 3 - датчик параметров излучения, 4 - лазерное излуче­ние, 5 - оптическая система, 6 – источник вспомогательной энергии, 7 - обрабатываемая де­таль, 8 - устройство для зак­репления и перемещения обраба­тываемой детали, 9 - датчик па­раметров технологического про­цесса, 10 - устройство подачи технологической среды

studfiles.net