Файл: Применения лазеров..pdf

Из семейства газовых лазеров лишь молекулярные могут работать в режиме модуляции добротности и обеспе­ чивать высокие значения импульсной мощности [41]. Эта техника, широко применяемая для твердотельных ла­ зеров, не может быть использована для большей части газовых лазеров вследствие большой скорости радиацион­ ного разрушения верхнего рабочего уровня по сравнению со скоростью его возбуждения. Однако некоторые моле­ кулярные газы, в том числе С02, обладают достаточно боль­ шими временами жизни рабочих уровней и позволяют на­ капливать колебательную энергию в течение периода на­ качки. Сущность техники модуляции добротности резонатора состоит в кратковременном «подключении» резонатора к перевозбужденной активной среде, что обеспечивает боль­ шую скорость нарастания мощности генерации. В С02лазерах это обычно осуществляется быстрым вращением одного из зеркал вокруг оси, перпендикулярной оптичес­ кой оси резонатора. Эта техника позволила получить им­ пульсную мощность 100 кВт с частотой 400 Гц при длитель­ ности импульса излучения 50 нсек1).

Другой способ модуляции состоит в питании разрядной трубки импульсами высокого напряжения. С источником импульсного напряжения 500 000 В на С02-лазере удалось получить пиковую мощность 200 кВт при частоте 42 Гц и энергии импульса 5 Дж [39]. В работе [4] сообщается о получении 20 МВт в импульсном режиме на С02-лазере с поперечным электрическим возбуждением при атмосфер­ ном давлении рабочего газа (ПВА)12). Такие мощные импуль­ сы лазерного излучения при наличии большой средней мощности излучения значительно расширяют возможности использования лазеров для размерной обработки.

2. 2. Ионный аргоновый лазер

Отличительной особенностью ионных лазеров является большое число линий генерации в видимой и ультрафиоле­ товой областях спектра, а также заметный уровень мощнос­

уровней однократно ионизированного аргона Aril. Воз­ буждение этих уровней в разряде происходит в два этапа: на первом этапе нейтральный атом аргона ионизируется прямым электронным ударом, на втором — ион возбуж­ дается при столкновении с электронами на более высокие энергетические уровни. Поскольку энергия этих состоя­ ний составляет~20 эВ относительно потенциала ионизации нейтрального атома, равного 15,8 эВ, становится очевид-

ным, что генерация в такой системе возможна при наличии большого числа электронов сравнительно высокой энергии. Обычно лазерное излучение наблюдается на восьми ли­

и 3d2D3/2- Ион из этих состояний переходит в основное

А = 514,5 нм и А = 488,0 нм, однако с одной парой зеркал можно получить генерацию одновременно на всех восьми линиях.

Конструкция ионного аргонового лазера схематически показана на фиг. 5. Наиболее важным элементом лазера является разрядная трубка, которая работает при больших плотностях тока, необходимых для возбуждения АгІІ. Часто в качестве трубки используется кварцевый капилляр, хотя в последнее время в промышленных приборах преиму­

284 Л. А. Вивер

щественно применяются сегментированные трубки из гра­ фита или окиси бериллия, которые лучше выдерживают

дение капилляра и обводной канал, который препятствует появлению избыточного давления аргона вблизи анода вследствие электрофореза [19, 20]. Дуговой разряд с ве­ личиной тока свыше 5 А поддерживается напряжением, приложенным между массивным анодом и катодом. Для стабилизации разряда и его изоляции от стенок разрядной трубки используется аксиальное магнитное поле.

Кварцевые окна вакуум-плотно закрепляются на концах трубки под углом Брюстера; оптический резонатор обра­ зуется парой зеркал с максимумом отражения в рабочей области. Для работы лазера на одной линии излучения в его резонатор вносится дисперсионная призма, подавляю­ щая генерацию на нежелательных переходах.

Герцигер и Зеелиг [38] сообщили о создании мощного лазера с большим диаметром кварцевой разрядной трубки без внешнего магнитного поля. Оптимальные электронные температуры в разряде равны 3,5—4 эВ, рабочий ток ~300 А, что соответствует плотности 265 А/см2. В этом приборе на всех видимых линиях Aril была получена суммарная мощ­ ность генерации 120 Вт, что является к настоящему вре­ мени наилучшим результатом. На нем была получена, кроме того, мощность 20 Вт на видимых линиях КгІІ и 1,5 Вт на ультрафиолетовых линиях АгІІІ (363,8 нм; 351,1 нм) и КгІІІ (350,7 нм).

Разработка других приборов этого типа подтверждает [68], что в недалеком будущем будут получены еще более высокие уровни мощности в видимой области спектра. В на­ стоящее время имеется в продаже ряд приборов с к. п. д. ~0,1 % и мощностью до 12 Вт на всех линиях сине-зеленой области. Использование призмы позволяет получить гене­ рацию только на волне 514,5 нм при вдвое меньшей мощ­ ности. Мощные лазеры в видимой области спектра потен­ циально пригодны для размерной обработки благодаря малому размеру пятна в фокальной плоскости и сравнитель­ но малому коэффициенту отражения от металлической поверхности. И хотя доступные в настоящее время коммер­ ческие Aril -лазеры имеют в непрерывном режиме недос­

таточную мощность для осуществления энергоемких про­ цессов, тем не менее их можно успешно применять в ряде технологических операций, например для обработки тон­ ких пленок. С увеличением мощности коммерческих при­ боров до 100 Вт откроются более широкие перспективы их применения для размерной обработки и сварки.

3. МОЩНЫЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ

Твердотельные лазеры с оптической накачкой обеспе­ чивают в настоящее время наиболее высокий уровень им­ пульсной мощности и энергии. Эти уникальные свойства твердотельных лазеров являются отчасти следствием очень высокой концентрации активных центров (ионов) в решетке.

ІО18 см-3. Более того, мощные лампы накачки обеспечивают очень высокие скорости возбуждения активных центров, а техника модуляции добротности позволяет накопленную ионами энергию излучать в виде гигантских импульсов (мощных импульсов малой длительности). Энергия в одном импульсе достигает 5 000 Дж [651, а импульсная мощ­ ность — 1013 Вт [33].

С помощью твердотельных лазеров в последнее время были получены сверхкороткие импульсы длительностью 2,5-10"13 с [57]. В непрерывном режиме твердотельные лазеры обеспечивают мощность до 1100 Вт [64]. Благодаря этим свойствам твердотельные лазеры оказались весьма полезными для технологических целей.

В качестве активного материала в этих лазерах исполь­ зуются монокристалл и стекло, легированные ионами Сг3+ или Nd3+. Поскольку эти материалы являются изолятора­ ми, прямое их возбуждение в отличие от газовых лазеров невозможно. Поэтому в качестве первичной энергии возбуж­ дения используется свет от лампы накачки, а лазерный стержень является своего рода преобразователем поглощен­ ного некогерентного света в направленное лазерное коге­ рентное излучение. Сфокусированный лазерный луч мо­ жет обеспечить плотность мощности на много порядков выше, чем свет от лампы накачки, и может распространять­ ся на большие расстояния с минимальной угловой расходи­

мостью, близкой к теоретическому пределу. Следовательно, лазерный луч можно значительно более эффективно ис­ пользовать для технологических целей, чем свет ламп на­ качки. По расположению энергетических уровней твердо­ тельные лазеры с оптической накачкой оказалось удобным разделить на трех- и четырехуровневые системы (фиг. 6, а).

Поглощение света накачки в трехуровневой системе приводит к возбуждению иона из основного состояния 1

а

---- 2

Ф и г . 6. Поглощение и излучение в трех- и четырехуровневых системах (а) и процесс индуцированного излучения (б).

на уровень 3, с которого он затем вследствие быстрого бе­ зызлучательного распада переходит на верхний лазерный уровень 2. При наличии инверсной населенности между уровнем 2 и основным состоянием иона вследствие инду­ цированного излучения ион переходит в основное состоя­ ние 1 (фиг. 6, б). Инверсия населенности в такой системе возможна лишь при условии, что свыше 50% ионов пере­ ведено на верхний уровень. Следовательно, работа трехуров­ невой схемы предполагает очень интенсивную накачку и обычно обеспечивается только в импульсном режиме.

Широко известный рубиновый лазер работает по трехуров­ невой схеме, так как eFO нижний рабочий уровень / яв­ ляется основным состоянием иона.

В четырехуровневой лазерной системе поглощенный свет от лампы накачки переводит ион из основного состоя­ ния 1 на уровень 4, с которого он затем переходит на верх­ ний лазерный уровень 3. Инверсия населенности имеет место между уровнями 3 и 2\ с нижнего рабочего уровня 2 ион возвращается в основное состояние 1.

Четырехуровневая схема отличается от трехуровневой схемы тем, что для получения инверсии населенности в ней достаточно возбудить незначительную часть ионов ос­ новного состояния, а в трехуровневой — более половины.

В соответствии с этим мощность накачки и порог генерации

вчетырехуровневой системе оказываются существенно меньшими.

Трехвалентный ион неодима Nd3+ является наиболее важным из группы ионов, на которых получена инверсия, так как он в твердотельных лазерах с оптической накачкой обеспечивает получение наибольших пиковых и средних мощностей. Из большого числа твердотельных лазерных материалов только три используются в промышленных уста­ новках — рубин (монокристалл А1а0 3, легированный Сг3+), стекло (бариевый крон или силикатное стекло с Nd3+) и ИАГ (монокристалл Y3A150 i2 с Nd3+). В табл. 2 приведены физические свойства и рабочие характеристики этих мате­ риалов. Из таблицы видно, что эти материалы обеспечивают генерацию высоких уровней мощности в красной и ближ­ ней инфракрасной областях спектра при разумных физичес­ ких размерах. Принцип действия и устройство этих лазеров рассмотрены ниже.3

3. 1. Рубиновый лазер

Рубин был первым материалом, на котором была проде­ монстрирована возможность лазерного действия, и он до сих пор является важным источником мощного когерент­ ного излучения. Синтетический рубин представляет собой легированный (0,05% Сг3+) монокристалл сапфира А120 3, который в настоящее время может выращиваться в виде стержней с высокими оптическими свойствами длиной до