Электрические методы обработки материалов - Могорян Н.В.
Скачать (прямая ссылка):
возбужденного атома хрома, заставит его испустить свой запасенный квант
энергии (фотон). Эти два фотона вызовут появление еще двух (рис. 81), а
затем 4, 8, 16, 32 и т. д. Часть излучаемой энергии рассеивается наружу
через стенки стержня и проявляется в виде люминесцентного свечения
рубинового кристалла, а затем теряется.
Так рождается фотонная лавина. Очевидно, чем длиннее путь, пройденный
фотонами, тем плотнее поток фотонов. Следовательно, необходимо
увеличивать путь, совершаемый потоками фотонов. Ввиду того, что
увеличение длины рубиновых стержней связано с технологическими и
конструкторскими затруднениями, длину
i ~ t. • ^
пробега фотонов внутри стержня увеличиваю! ври по> мощи
зеркал,'помещенных на торцах стержни. Но чгой причине торцы рубинового
стержня изготавливаются нормальными к его оси и покрываются слоем
серебра, причем одно из зеркал выполняется полупрозрачным.
Фотонная лавина, направленная вдоль оси стержня, многократно отражаясь от
зеркал, увеличивает свою плотность (мощность). Фотоны, движущиеся под
углом к оси стержня, покидают его и становятся бесполезными, снижая лишь
КПД лазера.
Ввиду того, что одно из зеркал рубинового стержня выполнено
полупрозрачным, при определенной плотности потока фотонов основная часть
их через него покидает стержень. Это и есть индуцированное излучение,
характеризующееся когерентностью и монохроматичностью, создаваемое
лазером и имеющее огромную яркость и колоссальную мощность. Длина волны,
например, красных лучей составляет 0,5 мкм, и с помощью оптической
системы они могут быть сфокусированы на участке диаметром 0,7 мкм.
Мощность излучаемого светового потока зависит от лампы накачки, для чего
используются ксеноновые импульсные лампы, которые генерируют очень
короткие и мощные вспышки света зеленой части спектра.
Разработано несколько конструкций твердотельных лазеров, но наиболее
распространен лазер с эллипсным отражателем (рис. 82). Отражатель 1 имеет
сечение эллипса, в один из центров которого помещена газоразрядная лампа
накачки 2, а в другой - рубиновый стержень 3. Лампа накачки питается от
специального импульсного источника питания. Излучаемый стержнем 3
световой поток фокусируется и направляется в необходимое место оптической
системой 4. Для повышения мощности системы накачки применяются много-
эллипсные отражатели (рис. 83).
Коэффициент полезного действия лазера складывается из нескольких
составляющих. Первая составляющая- КПД лампы накачки 5-7%, в настоящее
время его удалось поднять до 13-15%. Вызвано это тем, что лампа излучает
довольно широкий диапазон световых лучей, а полезным является
ограниченный спектр. Однако не весь полезный световой поток, излучаемый
лампой накачки, поглощается рубиновым стержнем. Из
-135
Рис. 82
Рис. 83
всей поглощенной мощности лишь около 25-35% выделяется в виде лазерного
излучения. Первые конструкции лазеров имели КПД около 0,5%, сейчас его
удалось довести до 5-9%.
Недостатки рубиновых лазеров - ограниченный предел мощности, низкий КПД,
работа в импульсном режиме, высокая стоимость активного тела, высокий
порог генерации.
Наиболее перспективным материалом для активного элемента твердотельных
ОКГ технологического назначения следует считать ИАГ с Nd (иттриево-
алюминие-вый гранат, активированный неодимом), так как он сочетает низкий
порог . возбуждения при комнатной температуре, присущий стеклу с Nd,
высокую механическую прочность и хорошую теплопроводность, свойственную
кристаллам, что делает его основным материалом для лазеров, работающих в
непрерывном и импульсном режимах.
Отличительная особенность твердотельных лазеров - высокая
монохроматичность излучения. Угол расхождения светового луча рубинового
лазера измеряется в секундах. Высокая степень монохроматичности излучения
обусловливается тем, что индуцированное излучение является резонансным
процессом и концентрируется более близко к основной полосе частот (к ее
центру). Для рубинового лазера частота излучения зависит от концентрации
хрома в рубине, а также от температуры активного элемента.
136
III. 3. Газовые лазеры
Газовые лазеры представляют собой наиболее широко используемый тип
лазеров, превосходя в этом отношении твердотельные ОКГ. Активной средой в
них являются газ, смесь газов или смеси газов с парами металлов. Они
обладают гораздо более высокой монохроматичностью излучения по сравнению
с твердотельными, обеспечивают наивысшие значения выходной мощности в
непрерывном режиме, а по уровню пиковой мощности при работе в импульсном
режиме приближаются к твердотельным лазерам на рубине и стекле с
неодимом, превосходя их по средней мощности, что определяется
возможностью их работы при более высокой частоте повторения импульсов.
Кроме того, КПД газовых лазеров составляет около 18-23%. Немаловажно и
то, что их стоимость значительно ниже твердотельных. Наконец,
спектральный диапазон излучения газовых ОКГ отвечает полосе поглощения
большого числа металлических и диэлектрических материалов, что позволяет
