книги / Промышленное применение лазеров
..pdfламп, установленных в фокальных линиях двух или нескольких эл липтических отражателей с общей фокальной линией, на которой находится лазерный стержень;
-лампа накачки может быть также выполнена в виде спирали, «обвивающей» активный элемент, с плоскими зеркалами отражателя (например, для активного элемента в виде пластины);
-для накачки можно использовать несколько ламп с отражате лями цилиндрической формы или состоящими из нескольких эллип тических поверхностей.
Существует множество других схем систем накачки. В настоя щее время наиболее распространена прямолинейная конструкция.
Как правило, для накачки твердотельных лазеров используются импульсные газоразрядные лампы, заполненные ксеноном или парами ртути, или галогенные лампы накаливания, в которых лампа заполня ется парами йода или фтора, или же смесью различных галогенов. Наиболее распространены лампы с йодным циклом. Галогенные лам пы в основном используются для накачки в непрерывном режиме.
Вподавляющем большинстве источников оптической накачки
влазерах, в том числе для технологических установок, используются импульсные ксеоновые лампы, у которых максимумы в спектрах из лучения располагаются вблизи полос поглощения в видимой инфра красной областях оптического спектра таких лазерных веществ, как рубин или стекло с неодимом.
Срок службы современных импульсных ламп - 105-И06 вспышек. Для создания инверсии активного вещества излучение накачки должно обладать высокой плотностью мощности, а иногда и опреде ленным спектральным составом (случай оптической накачки). Накач ка может быть импульсной и стационарной (непрерывной). Режимы накачки определяют и режимы лазерного излучения, о которых под робнее будет рассказано ниже. Кроме того, от мощности излучения
накачки зависит и выходная мощность лазерного излучения.
Эффективность системы накачки можно определить как отноше ние поглощаемого в активном материале лучистого потока к мощно сти, потребляемой всеми лампами накачки
В последние годы все чаще для накачки применяют мощные светодиоды, обладающие рядом значительных преимуществ по срав нению с лампами. Но их применение пока ограничено из-за доста точно высокой стоимости.
Для повышения эффективности накачки применяют различные типы отражателей. В простейшем случае рабочий стержень и лам па накачки, расположенные рядом, оборачивают фольгой с алюми ниевым, хромовым или никелевым покрытием. В ряде лазеров отра жатель выполнен составным из металлических элементов. Полость требуемой конфигурации получают в них фрезерованием с после дующими шлифованием и полированием.
Конструктивно такой отражатель может быть выполнен, на пример, в виде моноблока из кварцевого стекла в форме эллиптиче ского цилиндра. В фокальных осях эллиптического цилиндра выпол няют два отверстия: однодля активного элемента, а другоедля лампы накачки. Все лучи, выходящие из одного фокуса эллипса, где расположена лампа, после полного внутреннего отражения от границы стекло-воздух-поверхности эллиптического цилиндра собираются в другом фокусе, где расположен активный элемент. Это увеличивает эффективность накачки и, соответственно, мощность генерации.
Наиболее широкое применение в технологических установках получили осветительные системы с прямой лампой и цилиндриче ским отражателем (рис. 2.7). Лампа и стержень устанавливаются вплотную друг к другу в камере с зеркальной поверхностью, мини мальный объем и форму которых подбирают экспериментально. Эф фективность использования излучения лампы в осветительной сис теме с «тесной компоновкой» в 2-КЗ раза выше, чем осветителей с полостными (коаксиальными) лампами.
Высокая симметричность светового поля накачки вместе со зна чительной эффективностью использования излучения лампы достига ется в осветительных системах, где активный элемент и лампа накачки
устанавливаются последовательно на одной оси, а отражатель пред ставляет собой эллипсоид вращения или коническую форму.
В некоторых типах технологических установок используются цилиндрические и эллиптические отражатели, выполненные из стек лянных или кварцевых трубок, блоков, имеющие наибольший срок службы и эффективность. Высокая эффективность накачки достига ется в том случае, если диаметр эллипса (средний) много меньше, чем длина отражателя, при этом одновременно малы диаметры ла зерного стержня и лампы. Внешняя поверхность их покрывается сло ем серебра или окиси магния.
Рис. 2.7. Типы осветительных камер лазеров:
а- с отражателем в виде эллиптического цилиндра;
б- круговой цилиндр; в, г - тесная компоновка;
д- с полостной лампой ИФПП-7000; е - эллипсоид вращения;
ж- конусная; з - с кварцевым трубчатым отражателем;
и- кварцевый блок: 1 - активный элемент; 2 - импульсная лампа; 3 - отражающее покрытие
В ряде случаев с целью увеличения энергии накачки применя ются отражатели, образованные несколькими, чаще всего четырьмя эллиптическими цилиндрами, имеющими одну общую фокальную линию, где и располагается активный образец. Это дает возможность фокусировать на активном образце излучение от нескольких источ ников, т.е. увеличивать плотность потока энергии на поверхность активного кристалла.
Очевидно, что от эффективности выбранной системы накачки в прямой зависимости находится КПД всего генератора в целом, по этому вопросам рационального конструирования их уделяется боль шое внимание. Если использовать другое расположение источника излучения и активного образца в цилиндрическом рефлекторе, то можно добиться существенно лучших результатов.
Резонатор, в простейшем случае, представляет собой систему из двух зеркал, между которыми располагают активный элемент (рис. 2.8). Одно из них имеет коэффициент отражения, близкий к единице, и называется глухим зеркалом, а другое - меньше едини цы и называется выходным зеркалом, через которое происходит ис пускание излучения.
Рис. 2.8. Схематическое изображение конструкции резонатора твердотельного лазера:
1 - зеркало; 2 - модовая диафрагма; 3 - отражатель; 4 - лазерный стержень; 5 - лампа накачки
Глухое зеркало изготовляют, как правило, путем нанесения на медную или кремниевую основу отражающих металлических (Ag, Au, Ni+Au идр.) или диэлектрических (As/GeSe идр.) покрытий. В последнем случае можно получать поляризованное лазерное излу чение. Чтобы прочность покрытия была высока, на поверхность зер кала последовательно наносят тонкие слои металлов, т.е. получают многослойные покрытия. Например, медное зеркало может быть по крыто Cr/Au/ZnSe(ThF4/ZnSe)CeF3.
Выходное зеркало сделано из прозрачного диэлектрика, на по верхность которого наносят отражающее диэлектрическое покрытие. Это зеркало пропускает только часть излучения, например, имею щую определенную поляризацию, а остальное отражает обратно в резонатор, где эта часть излучения, проходя через активную среду, вызывает вынужденные переходы новых частиц, отражается от глу хого зеркала, снова проходит через активную среду, попадает на вы ходное зеркало, и часть его выходит из резонатора в виде лазерного излучения.
Резонатор описанной конструкции, т.е. состоящий из глухого и полупрозрачного зеркал, называется устойчивым. Так как механи ческая прочность диэлектрического зеркала невысока, то при доста точно высокой мощности излучения используют два металлических непрозрачных зеркала. В этом случае излучение покидает резонатор только после многократного отражения от его зеркал. Резонатор та кой конструкции называют неустойчивым. Он также усиливает мо нохроматическое направленное излучение.
Зеркала резонаторов твердотельных лазеров конструктивно мо гут быть выполнены как единое целое с лазерным веществом (сереб ро напыляется на торцы стержня). Одно из основных требований к зеркалам резонатора заключается в том, чтобы потоки в них были минимальными. В первых образцах лазеров в качестве зеркал ис пользовались тонкослойные серебряные покрытия, которые (в ряде случаев) наносились непосредственно на торцы стержня. Потери энергии при таких зеркалах составляли 5-ИО %, а максимальный ко эффициент отражения не превышал 9СИ-95 % (в видимой области
спектра). Значительные потери приводят к снижению добротности резонатора и быстрому разрушению зеркал под действием излуче ния. Например, зеркала или торцы с нанесенными серебряными по крытиями выдерживали не более нескольких сотен вспышек при энергии излучения, не превышающей 1 Дж.
Резонаторы различают по конструкции зеркал (например, пло ские, симметричные, конфокальные), по форме отражающих поверх ностей (резонаторы со сферическими и асферическими зеркалами), по расположению зеркал относительно активного элемента (внешние и внутренние).
Внешние представляют собой отдельные зеркала или другие элементы (например, призмы полного внутреннего отражения), между которыми располагают активный элемент. В современных технологи ческих установках используются внешние выносные зеркала с многослойными диэлектрическими покрытиями, образованными че редующимися прозрачными слоями с различными коэффициентами преломления. Так, для видимой части спектра используются такие ве щества (соединения), как сульфид цинка ZnS и криолит Na3AlF6. Ко эффициент отражения зеркала растет с увеличением числа слоев. Полупрозрачные зеркала (30+50 %) состоят из 3+7 диэлектрических слоев, непрозрачные глухие зеркала (А^ > 99 %) имеют 15+17 слоев, при этом коэффициент поглощения не превышает 0,1+0,3 %.
Внутренние зеркала составляют с активным элементом единое целое и могут выполняться, например, путем нанесения отражающих покрытий на торцы активного элемента. При этом, несмотря на су щественное упрощение конструкции излучателя и повышение его механической надежности, срок службы покрытий оказывается не значительным вследствие нагрева от импульсной лампы, а интенсив ное охлаждение активного элемента может разрушить диэлектриче ские покрытия из-за появления на них влаги.
Для повышения качества изделий металлооптики (лазерных зеркал) необходимо принятие следующих мер: уменьшение термо деформаций выбором соответствующих материалов для подложки, а также совершенствованием конструкции систем охлаждения зер
кал; нанесение защитных и отражающих покрытий, что позволяет длительное время поддерживать высокое качество отражающей по верхности; совершенствование технологии финишной обработки оп тических поверхностей.
В современных мощных твердотельных лазерах используют модульный принцип, т.е. в один резонатор можно помещать не сколько активных элементов со своими отражателями. Это позволяет варьировать выходную мощность излучения в широких пределах. Например, в одном и том же лазере при использовании одного ак тивного элемента возможно получение выходной мощности 300 Вт, а с шестью - около 2 кВт.
Работа лазера в периодическом режиме с большой частотой по вторения импульсов излучения приводит к изменению свойств резо натора вследствие термического деформирования стержня, который делается подобным положительной линзе. При этом резонатор с пло скими зеркалами оказывается эквивалентным сферическому, что приводит к повышению его добротности для высших типов колеба ний и возрастанию числа генерируемых мод. Вследствие этого (в пе реходном и установившемся режиме работы лазера) увеличиваются энергия излучения, его расходимость, длительность импульса, что наиболее существенно для неодимового лазера, нагрев активного элемента которого слабо сказывается на спектрально-люминесцент ных характеристиках.
Для обеспечения оптимальной температуры активной среды и достаточно низкой температуры узлов конструкции технологиче ского лазера (зеркала резонатора лазера, элементы формирующей оптической системы и другие), гарантирующей большой ресурс его работы, используется система охлаждения. Системы охлаждения представляют собой, как правило, трубки с прокачиваемой по ним охлаждающей жидкостью.
Оптическая система предназначена для формирования потока излучения, а также для наводки излучения на обрабатываемое место, для контроля процесса обработки и оценки (изменения) ее результа тов, состоит из двух подсистем - энергетической и наблюдательной.
Другими словами, оптическая система служит для транспортировки, фокусировки излучения (СТФИ) и наблюдения.
Оптические системы выполняют следующие функции: переда ют энергию лазерного излучения к месту обработки, регулируют па раметры излучения, формируют пучки с высокой плотностью мощ ности, наводят излучение на обрабатываемую точку, контролируют процесс обработки материала. Изменение направления пучка произ водят призмами полного внутреннего отражения или интерференци онными зеркалами. Защиту объектива от паров, капель, плазмы, аэ розолей осуществляют с помощью прозрачной движущейся ленты, струи воздуха, электромагнитных полей и т.д.
Фокусировка лазерного излучения
Лазерное излучение энергетически воздействует-на материал. Излучение, генерируемое лазером, является мощным и направлен ным, но этого недостаточно для его использования в процессах обра ботки материалов. На выходе лазера мы имеем пучок диаметром в несколько миллиметров с определенной расходимостью, опреде ляемой конструкцией резонатора. Упрощенно можно представить, что луч выходит из лазера в виде усеченного конуса, образующие которого составляют с направлением распространения излучения определенный угол, называемый углом расходимости излучения. Расходимость луча газовых лазеров составляет несколько угловых секунд, твердотельных- 1+20 мин, полупроводниковыхдесятки градусов. Для того чтобы лазерное излучение можно было использо вать для обработки материалов, т.е. увеличить плотность мощности излучения в зоне обработки, необходимо уменьшить расходимость луча. Этого достигают фокусировкой лазерного луча.
Технологические возможности лазера во многом определяются минимальным размером сфокусированного пучка. Весьма важным для технологического применения является обеспечиваемая фокуси рующей системой глубина резкости пучка, т.е. размер перетяжки пучка в направлении его распространения.
Лазерное излучение является монохроматическим, поэтому его можно сфокусировать в пятно минимальных размеров, ограниченное
лишь явлением дифракции (порядка длины волны). В реальных сис темах, конечно, присутствуют различные факторы, приводящие к увеличению этого размера, например искажение излучения оптиче скими системами (оптические аберрации).
Зона сфокусированного излучения представляет собой некую область, называемую каустикой. Например, в случае одномодового (Гауссова) распределения интенсивности / минимальный диаметр dn каустики (пятна фокусирования) в зависимости от длины волны X и фокусного расстояния F оптической системы (рис. 2.9) определит ся из выражения
где d - эффективный диаметр лазерного пучка, в пределах которого интенсивность 1о излучения изменяется в е раз; 0 - расходимость излучения.
При этом глубина фокуса z, или часть каустики, в пределах ко торой d„ изменяется на ±5 %, будет равна:
0,32 л d 2
0/2
I
F
Рис. 2.9. Схема фокусирования лазерного излучения (Д/7 - смещение обрабатываемой поверхности относительно
фокальной плоскости сфокусированного излучения)
Чем ниже порядок моды, тем в меньшее пятно может быть сфо кусировано излучение линзой, тем больше глубина фокуса для дан ной линзы и легче управление излучением.
Для большинства технологических процессов плотность мощ ности излучения непосредственно на выходе из лазера не является достаточной. В непрерывных лазерах эта величина не превышает 103-Ч04 Вт/см2, и поэтому лазерный луч приходится фокусировать. В этом случае средняя плотность мощности на обрабатываемом из делии возрастает и может достигать:
Р
где rmin - минимальный характерный радиус пятна фокусировки.
Для фокусировки излучения твердотельных лазеров можно ис пользовать многолинзовые оптические системы с просветляющими покрытиями, что практически исключает потери излучения за счет отражения от поверхностей линз. В таких системах возможно ис правление всех аберраций, а следовательно, и получение диаметра пятна излучения в плоскости обработки, близкого к дифракционно му. Поэтому, хотя твердотельные лазеры и обладают меньшей вы ходной мощностью, чем СОг-лазеры, при их применении можно дос тичь аналогичных значений плотности мощности в зоне обработки. Кроме того, излучение с меныией длиной волны лучше поглощается материалом, что приводит к более высокой эффективности техноло гических процессов.
Транспортировку лазерного излучения до обрабатываемой по верхности производят с помощью оптических систем: линзовых, зер кальных или волоконно-оптических световодов (рис. 2.10).