Углекислотный лазер

Поверхность исследуемой мишени мгновенно испаряется и вспыхивает при облучении мощным длительным импульсом углекислотного лазера, излучая десятки киловатт инфракрасного излучения. Обратите внимание, что оператор стоит за листами плексигласа, непрозрачного в инфракрасном свете.

Углекислотный лазер (CO₂ лазер) — используется для изготовления печатей и штампов из резины, гравировки двуслойного пластика, резки стекла и сварки металлов, в том числе с очень высокой теплопроводностью, таких как алюминий и латунь.

Устройство и работа CO₂-лазера

Различают газовые углекислотные лазеры работающие в непрерывном, короткопериодическом и импульсном режиме работы. Помимо углекислого газа в состав рабочей газовой смеси часто добавляется аргон, азот, гелий. Возбуждение газовой среды производится прямым электрическим разрядом с помощью дугового разряда, и иногда с помощью токов высокой частоты. Углекислотный лазер находит широкое применение на производстве не только ввиду хороших излучательных параметров, но и ввиду весьма высокого КПД. Конструкции большинства углекислотных лазеров отличаются простотой и очень большой надежностью, а сроки эксплуатации до 20 000 часов (до смены электродов). На основе углекислотных лазеров интенсивно ведутся работы по нагреву термоядерных мишеней для получения управляемого лазерного термоядерного синтеза (инерциальный синтез), но углекислотные лазеры обладают худшими характеристиками по-сравнению с твердотельными импульсными лазерами, йодными и эксимерными лазерами и больших успехов в этом направлении пока не достигнуто.

СO2 лазер наиболее важный представитель класса молекулярных лазеров. Характерной особенностью таких лазеров является то, что для создания инверсии населенности используются переходы между колебательными, а также вращательными уровнями. Излучение, связанное с переходами между электронными состояниями, обычно лежит в видимой или ультрафиолетовой области спектра, а для переходов между колебательно-вращательными уровнями в инфракрасной и в дальней инфракрасной области спектра. По этой причине многие молекулярные лазеры излучают в инфракрасной области спектра. 1.2. Колебательно-вращательные движения молекул Из квантовой механики (см. [1]) известно, что энергетические уровни гармонического осциллятора являются эквидистантными, и энергия Еn уровня с квантовым числом n дается выражением:

(1)

Колебания молекул для не слишком больших амплитуд могут быть рассмотрены на основании модели гармонического осциллятора. Поэтому энергия колебательного движения подчиняется условию квантования (I). Кроме колебательного возможно также вращательное движение молекул. Предположим, что линейная молекула вращается вокруг некоторой неподвижной оси, относительно которой её момент инерции равен I . В квантовой механике (см.[1]) показывается, что такое движение также квантуется и соответствующая формула для энергии имеет следующий вид:

(2)

В случае перехода из состояния m в состояние m-1 испускается квант электромагнитного излучения с частотой ,

(3)

где называется вращательной постоянной, выражение для энергии (2) перепишем в виде: .

(4)

Чтобы оценить различие в величинах энергии для колебательных и вращательных переходов, приведем характерные частоты переходов для молекулы HF: νкол=4003 см-1, νвращ=41,1 см-1. Если молекула поглощает энергию, то может происходить возбуждение её колебательных и вращательных состояний» а также электронных состояний входящих в неё атомов. Пренебрегая изменениями электронных состояний, выразим энергию уровня, характеризующегося колебательным квантовым числом v и вращательным квантовым числом r, через эти числа: .

(5)

Обозначения для квантовых чисел v и r являются общепринятыми и соответствуют первым буквам соответствующих слов vibration (колебание) и rotation (вращение). В соответствии с правилами отбора разрешены переходы типа Δr=0, ±1 и Δv=±1. Для перехода v, r → v-1, r-1 получаем следующее выражение для частоты: ,

(6)

1.3.Молекулярный лазер на CO2.

Рис. 1. Возможные колебания в молекуле С02: а) - состояние равновесия; б) - симметричное колебание; в) - деформационное колебание; г) - антисимметричное колебание. Классическим представителем молекулярных лазеров является газовый лазер на двуокиси углерода. Молекула СО2 линейна. Она состоит из трёх атомов и поэтому ей присущи три нормальных типа колебаний, которые схематически изображены на рис. 1. В случаях а) молекула находится в состоянии покоя; б) атомы совершают симметричное продольное колебание вдоль оси, соединяющей ядра; в) атомы колеблются в направлении, перпендикулярном указанной оси это деформационное колебание; г) колебание является продольным антисимметричным. В первом приближении нормальные типы колебаний независимы, так что колебательное состояние молекулы СО2 можно описать набором целых чисел (v1, v2, v3), которые соответствуют степеням возбуждения нормальных типов колебаний. Таким образом, полная колебательная энергия молекулы ,

(7)

где ν1, ν2, ν3 - частоты нормальных типов колебаний: предельного симметричного, деформационного и продольного антисимметричного соответственно. На рис. 2 изображены некоторые из низших колебательных уровней С02 . Верхний лазерный уровень (0001) соответствует возбуждению только продольного антисимметричного колебания и имеет энергию, равную энергии одного кванта hν3 . Лазерный переход с λ=10.6 мкм имеет место между уровнями (0001) и (1000). Возбуждение на верхний лазерный уровень происходит следующим образом.

Рис. 2. Создание инверсии населенностей в смеси CO2 и N2: а) Некоторые низ-колежащие колебательные уровни молекулы С02, включая нижние и верхние уровни лазерных переходов 10,6 мкм и 9,6 мкм. б) Основное состояние (v = 0) и первое возбужденное состояние (v = 1) молекулы азота. В лазере газ СО2 используется в смеси с азотом. При возникновении газового разряда происходит эффективное столкновение молекул С02 и N2 . Между этими молекулами происходит эффективный обмен энергией, поскольку в молекуле N2 колебательный уровень, соответствующий v=1, с точностью до kT совпадает с верхним рабочим лазерным уровнем молекулы С02 (уровень 0001 см. рис. 2). Колебательные состояния молекулы N2 (v = 1) возбуждаются в разряде электронным ударом, затем при соударении N2 с CO2 происходит передача возбуждения от молекулы N2 к CO2. Таким способом происходит заселение верхнего лазерного уровня.

Рис.З. Колебательно-вращательная структура уровней лазерного перехода с λ=10,6 мкм. Показаны только некоторые низшие вращательные уровни (с малыми г). Объединение нижних лазерных уровней (1000) и (0200) происходит за счет столкновений с молекулами буферного газа, добавляемого к смеси CO₂:N₂. В качестве такого газа, эффективно обедняющего нижние лазерные уровни , используется гелий (Не). Молекулярные состояния, переходы между которыми обеспечивают работу СO₂ - лазера, характеризуются не только колебательным квантовым числом v, но также вращательным квантовым числом. Колебательно-вращательная структура уровней лазерного перехода с λ=10,6 мкм показана на рис.3. Переходы r → r+1 принадлежат Р(г) ветви, переходы r → r-1 R(r) ветви. Лазер на С0₂ имеет высокий КПД до 30%, а также может иметь большую выходную мощность. Эти лазеры выпускаются в двух модификациях непрерывные и импульсные.

Промышленные установки

Промышленные установки делятся по мощности: на малые (мощностью до 1 кВт), средние (1-5 кВт) и мощные (свыше 5 кВт). Принципы доставки луча к материалу бывают: неподвижный луч - подвижная заготовка, подвижный луч - неподвижная заготовка, и подвижные и луч и заготовка. Бывают 2х и 3х координатные лазеры. Причем возможно сравнительно недорогое переоборудование 2х координатного лазера в трех-координатный путём добавления в оптическую систему приводного зеркала.