Электрические методы обработки материалов - Могорян Н.В.
Скачать (прямая ссылка):
Из преимуществ следует отметить простоту конструкции, миниатюрность,
высокий КПД, из недостатков - высокую расходимость генерируемого
излучения, достигающую в некоторых случаях одного градуса.
III. 7. Химические лазеры
В химических лазерах возбужденные атомы или молекулы являются продуктом
химической реакции, происходящей непосредственно в реакторе [15].
Большой практический интерес к этому типу лазеров вызван тем, что они
обладают мощностью излучения до 600 Вт (в непрерывном режиме) при КПД до
15%, который в последнее время повышается.
На рис. 95 показана типичная схема химического лазера, работающего на
смеси дейтерия, фтора, углекислого газа и гелия (D2+F2+C02+He). Состав
газа контролируется в смесителе 1, откуда он поступает в кварцевую трубу
2, где возбуждается импульсным возбудителем 3. Отработанный газ поступает
через гаситель пламени 4 и угольную ловушку 5 в вакуумную систему 6.
На рис. 96 приведена схема химического DF-С02-лазера непрерывного
действия. В основу данного типа лазеров положена реакция дейтерия с
фтором с последующей передачей возбуждения на молекулы С02. Для поджига
реакции в качестве вспомогательного реагента применяется окись азота,
существующая при комнатной температуре в виде устойчивого радикала N0.
При смешении этого радикала с молекулой фтора образуется атомарный фтор
NO+Fa-"-NOF+F, (III.5)
который и служит активным центром, инициирующим лазерохимическую цепь в
смеси D2+F2+N0+C02+He. Общая скорость потока смеси в резонаторе близка к
скорости звука, но не превышает ее.
153
Рис. 96
Наиболее широко исследованы лазеры с тепловым инициированием реакции, в
которых рабочей молекулой является HF или DF. Проведенные исследования
разрешают надеяться, что применение HF-лазеров позволит получить высокие
значения энергий и мощностей излучения как в импульсном, так и в
непрерывном режиме.
Одно из наиболее серьезных применений Н2+Р2-ла-зеров - использование их в
энергосистеме на основе термоядерного синтеза. При этом химический лазер
- наиболее перспективное устройство в цикле ядерная энергия - химическая
энергия - когерентное излучение, так как основным видом горючего,
добываемого с помощью ядерной энергии, является водород. Поэтому создание
химического лазера, преобразующего в когерентное излучение энергию
сгорания водорода в кислороде, представляется очень актуальной и
перспективной проблемой для науки и техники как сегодняшнего дня, так и
будущего [16].
III. 8. Основные технологические параметры и свойства светового луча
Световой луч как "режущий инструмент" для размерной обработки деталей
условно характеризуется двумя параметрами - энергетическими, связанными с
энергией и плотностью излучения, и геометрическими, обусловливаемыми
шириной луча, углом его расхожде-
154
ния и длительностью. Данные параметры светового потока во многом
определяются степенью когерентности излучения.
Благодаря высокой степени когерентности луч лазера в отличие от других
источников излучения можно сфокусировать в пятно диаметром, соизмеримым с
длиной волйы излучения, сконцентрировать в изображение, яркость которого
больше яркости первоначального источника, передать изображение на объект
с очень малыми дифракционными потерями. Эти свойства лазерного излучения
открывают широкие возможности по использованию лазерного луча в
микротехнологии. Важной особенностью когерентного излучения является
также и то, что фронт плоской волны излучения с конечной площадью и с
однородной временной фазой распространяется как параллельный луч. При
этом ширину луча можно сузить до определенного угла, ограничиваемого лишь
явлениями дифракции. Средняя величина угла расхождения луча на
современных оптических квантовых генераторах составляет порядка 0,7°, или
6 мрад, однако при тщательной доводке расходимость луча может быть
снижена почти до 1 мрад [17].
Теоретически величина наименьшей угловой расходимости определяется из
соотношения
где X - длина волны излучения, мкм; d3 - диаметр активного элемента, см.
Чем короче длина волны, тем меньше угловая расходимость излучения окг.
Расходимость влияет на минимальный размер сфокусированного луча лазера и,
следовательно, на максимальную плотность энергии, которую можно получить
при фокусировании. Эта величина плотности мощности светового излучения
(до 1012 Вт/см2) чрезвычайно большая, до недавнего времени ее невозможно
было получить другими какими-либо способами. Подобные значения плотности
мощности превращают световой луч ОКГ в своеобразный режущий инструмент.
Энергия луча определяется конструктивными параметрами квантового
генератора, такими, как энергия накачки на активный элемент,
геометрические размеры элемента, коэффициент пропускания зеркал
резонатора.
155
Эффективность воздействия накачки на активный элемент лазера, в свою
очередь, зависит от конструкции излучающей головки и типа ламп накачки.
Полная энергия излучения светового луча W связана с энергией накачки WH
