WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 27 |

Эксимерные лазеры являются, как правило, ультрафиолетовыми лазерами и перекрывают широкую область спектра. В таблице 1.представлены длины волн для центров линий перехода возбужденных молекул, составляющих основу существующих эксимерных лазеров. Кроме того, из-за большой ширины линии перехода эксимерные лазеры могут работать как перестраиваемые лазеры в широкой области спектра.

Приведенные в таблице 1.2 параметры эксимерных лазеров ставят их вне конкуренции среди лазеров видимого и ультрафиолетового диапазонов с точки зрения перспективы применений в технике и технологии.

Таблица 1.2.

Параметры переходов в эксимерных лазерах Молекула, переход Длина волны Эквивалентный Ш ирина между состояниями в центре электронный переход спектра которой создает линии в атоме усиления, лазерное излучение перехода, нм нм Ar2 126,1 Ar(P)Ar(1S) 8,Kr2 146,7 Kr(P) Kr(1S) 13,Xe2 172,0 Xe(P)Xe(1S) 20,ArF 193,3 Ar(P)Ar(1S) 1,KrCl 222,0 Kr(P) Kr(1S) 5,KrF 248,4 Kr(P) Kr(1S) 4,XeBr 281,8 Xe(P)Xe(1S) 1,XeCl 308,0 Xe(P)Xe(1S) 2,XeF 351,1 Xe(P)Xe(1S) 1,XeO 540,0 O(1S) O(3P) 25,KrO 557,7 O(1S) O(3P) 1,ArO 558,0 O(1S) O(3P) 4,3. Газовые лазеры в инфракрасной области спектра Эти газовые лазеры наряду с характерными для всех газовых лазеров свойствами характеризуются прежде всего незначительной шириной линии и ограниченными возможностями перестройки при высокой мощности.

Вынужденное излучение в ИК-области спектра можно получить на переходах между колебательно-вращательными уровнями молекул в основном электронном состоянии в средней и дальней ИК-области (HF-, CO-, CO2-лазеры, H2O-,SO2-лазеры) и вращательными уровнями в основном электронном состоянии в дальней ИК-области (HF-, CH3F-лазеры). Одним из важнейших типов лазеров является СО2-лазер. Его КПД (больше 20 %) превышает КПД почти всех лазеров. В СО2-лазере получены самые малые для газовых лазеров длительности импульсов (<30пс). Лазер работает на смеси газов СО2, N2, He. Лазерное излучение в нем возникает при переходах между колебательно-вращательными уровнями молекулы СО2 в основном электронном состоянии. Заселение верхнего лазерного уровня может происходить за счёт всех характерных для газовых лазеров способов создания инверсии. Наиболее часто используется накачка за счёт газового разряда. Мощность СО2-лазеров в непрерывном режиме достигает десятков киловатт, а в импульсном - сотен мегаватт, длина волны излучения обычно составляет 10,6 мкм.

4. Химические лазеры В химических лазерах генерация электромагнитного излучения происходит в результате протекания химических реакций. Так при взаимодействии фтора и водорода (дейтерия), активированным нагретым в дуговом разряде азотом, создается инверсная заселенность возбужденных молекул HF или DF, обеспечивающая лазерное излучение на длинах волн 2,6-3,5 или 3,6 - 5 мкм.

В хемолазерах с переносом энергии возбужденные молекулы фтористого водорода или дейтерия передают свою энергию молекулам углекислого газа, и наблюдается лазерное излучение последних на длине волны 10,6 мкм.

Известны химические лазеры, работа которых инициируется ударной или взрывной волной, а также электрическим разрядом. Фотодиссоционные лазеры также являются частным случаем химических лазеров. Основным процессом, приводящим к появлению инверсной заселенности в хемолазере, является химическая реакция, в результате которой образуются атомы, молекулы или радикалы в возбужденном состоянии. Наиболее известным является хемолазер на фотодиссоциации молекул CF3J.

5. Газодинамические лазеры Активное вещество газодинамического лазера представляет собой смесь азота и двуокиси углерода. Инверсная заселенность энергетических уровней в этом лазере создается за счет дифференцированной колебательной релаксации, вызываемой столкновением молекул в процессе сверхзвукового расширения газа. Согласно теоретическим расчетам, газодинамические лазеры способны создавать непрерывное лазерное излучение мощностью в несколько тысяч киловатт. В газодинамическом лазере применяется тепловая накачка за счет сгорания окиси углерода и реактивный принцип истечения активного вещества. Лазерная камера напоминает по внешнему виду камеру сгорания реактивного двигателя. Она снабжена сужающимся и расширяющимся соплом, назначение которого состоит в получении за соплом пониженных температур и давления газа в целях создания инверсной заселенности энергетических уровней.

Принцип работы газодинамического лазера основан на расширении газовой смеси и резком снижении ее температуры и давления за время, гораздо меньшее, чем это требуется для протекания процессов колебательной релаксации верхнего энергетического уровня лазерной системы. При быстром снижении давления возбужденные молекулы азота сталкиваются с молекулами углекислого газа и передают им свою энергию колебаний.

Получившие энергию возбужденные молекулы углекислого газа создают когерентное монохроматическое излучение на волне 10,6 мкм. Первый газодинамический лазер развивал мощность генерации в непрерывном режиме около 60 кВт. Существуют газодинамические лазеры, мощность которых превышает 200 кВт. Газодинамические лазеры имеют КПД порядка 10 – 15 %. Одним из способов повышения КПД газодинамических лазеров является применение замкнутого цикла, при котором отработавшая (но еще горячая) газовая смесь возвращается обратно в камеру сгорания или другой источник нагревания. К недостаткам газодинамических лазеров следует отнести их большие габариты, потребление большого количества горючего, сильный шум при работе. Дальнейшим развитием газодинамических лазеров являются электроаэродинамические лазеры, в которых возбуждение молекул азота осуществляется в электрической дуге. КПД таких лазеров достигает %, а выходная мощность - до 100 кВт.



6. Электроионизационные лазеры Накачка в таком лазере создается с помощью электронного пучка высокой энергии (>100 кэВ), вводимого в активную среду через тонкую алюминиевую фольгу. В качестве активной среды обычно используется смесь азота и углекислого газа. В этих лазерах достигается очень высокая энергия в импульсе при КПД до 50 %.

1.5.3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ Полупроводниковый диод - основной элемент полупроводникового лазера. Действие лазера основано на том, что при прямом смещении электроны инжектируются в p-область, где происходит их излучательная рекомбинация с имеющимися там дырками. Для создания состояния с инверсией заселенностей необходима большая концентрация дырок в валентной зоне, что достигается увеличением концентрации легирующей акцепторной примеси. Для того, чтобы инжекция электронов в p-область превышала инжекцию дырок в n-область (где рекомбинация безизлучательная, а следовательно, ток дырок в n-область целиком относится к потерям), необходимо, чтобы концентрация донорной примеси в n-области была выше концентрации акцепторной примеси в p-области. Излучателем является узкая часть p-области, прилегающая к p-n-переходу. Конструкция лазерного диода показана на рис.1.6. Зеркалами являются гладкие грани самого полупроводникового кристалла, получаемые обычно скалыванием или полировкой его краев.

Отрицательный электрод n-GaAs(Подложка) n-Al Ga As x 1-x GaAs(активный слой) p-Al Ga As x 1-x p-GaAs Положительный электрод Радиатор Свет Рис. 1.6. Схема полупроводникового инжекционного лазера Вынужденное излучение происходит параллельно р-n-переходу.

Типичные размеры лазерного кристалла (мкм): длина - 100 - 500; ширина - 400; высота 80 - 100; толщина области рекомбинации 1 - 3.

Материалом для полупроводниковых лазеров могут быть соединения типа: А3В5 (GaN, GaSb, InP, GaInAs, и т.д.); А4В4 (PbS, PbTe, PbSe, SiC и т.д.);

А2В6 (ZnO, CdS, ZnCdS и т.д.). Инжекционные лазеры отличаются от всех других типов лазеров высоким КПД (выше 10 %); простотой возбуждения;

крайне незначительными размерами; низким напряжением накачки;

надёжностью. Мощность излучения в многомодовом режиме составляет несколько милливатт, в одномодовом режиме около 0,1 - 1 мВт. Созданы промышленные полупроводниковые лазеры мощностью несколько Вт и интегральные лазерные решетки мощностью десятки Вт.

1.5.4. ЛАЗЕРЫ НА КРАСИТЕЛЯХ В лазерах на красителях вынужденное излучение возникает на флуоресцентном переходе в многоатомных органических молекулах.

Концентрация красителя составляет 0,005 - 0,0001 моль/л. Органические молекулы принадлежат различным химическим классам, например,- кумарин, антрацен, оксазол, ксантен, акридин, полиметин. Электронные состояния красителей имеют многочисленные колебательные и вращательные уровни, которые за счёт взаимодействия друг с другом и соседними молекулами (растворителя) так сильно уширены, что переходы между электронными состояниями в спектре флуоресценции образуют широкие полосы. Создание инверсии заселённостей происходит с помощью оптической, в том числе лазерной накачки. Лазеры на красителях генерируют электромагнитное излучение в спектральном диапазоне от 0,32 до 1,22 мкм.

Из-за того, что при оптической накачке много энергии уходит в тепло, КПД этих лазеров невысок, порядка 1%. Обычно жидкостные лазеры работают в импульсном режиме. Наиболее важным свойством лазеров на красителях является возможность перестройки частоты излучения в широких пределах (с одним красителем несколько десятков нм). Перестройка частоты может осуществляться изменением состава, концентрации и температуры раствора.

1.6. ЗАКЛЮ ЧЕНИЕ Из сравнения выходных параметров различных типов лазеров можно заключить, что для технологической обработки материалов, требующей высокой мощности, наиболее подходящими являются инфракрасные лазеры на молекулах диоксида углерода и твердотельные лазеры на неодимовом стекле и алюмоиттриевом гранате. Из лазеров средней мощности, излучающих в видимой области спектра, следует отметить ионные аргоновые лазеры и лазеры на парах металлов. Наиболее эффективными источниками ультрафиолетового излучения являются азотные и эксимерные лазеры.

Маломощные гелий-неоновые и полупроводниковые лазеры используются как инструмент технологического контроля. Жидкостные лазеры, основным преимуществом которых является возможность перестройки частоты в широких пределах, наиболее полезны при проведении резонансных процессов, например, в фотохимии.

Вопросы и задачи для практических занятий и самостоятельной работы 1. Вычислите коэффициент вынужденного излучения, если коэффициент спонтанного излучения А составляет а) 108 с-1; б) 106 с-1; в) 104 с-1.

2. Во сколько раз усиливается излучение, если коэффициент усиления составляет: а) 0,1 дВ; б)10 дВ; в)100 дВ 3. Определите добротность резонатора гелий-неонового лазера по отношению к потерям на излучение, если длина активной зоны 40 см, а коэффициент отражения зеркала составляет а) 0,9; б) 0,6; в) 0,4.

4. Вычислите дифракционный предел расходимости пучка излучения лазера диаметром 3 мм а) гелий-неонового; б) на неодимовом стекле; в) на углекислом газе.

5. Оцените минимально возможное сечение сфокусированного пучка лазерного излучения с длиной волны а) 500; б)1060; в)10600 нм.

6. Как влияет добротность резонатора на пороговую инверсную населенность по генерации 7. Почему в четырехуровневой системе инверсная населенность уровней достигается при минимальной накачке 8. Сравните свойства и особенности резонаторов с плоскими и сферическими зеркалами.





9. Проанализируйте картину развития импульсов излучения при прямоугольном импульсе накачки.

10. Опишите процесс формирования гигантского импульса в режиме модуляции добротности.

11. Дайте сравнительную характеристику основных методов модуляции добротности.

12. Рассмотрите режим синхронизации мод, укажите пути получения мощных коротких импульсов.

13. Объясните влияние синхронизации мод на среднюю мощность излучения.

14. Оцените максимальное значение степени когерентности излучения и сформулируйте условие его получения.

15. Назовите активные ионы в лазерах на рубине, алюмоиттриевом гранате и неодимовом стекле.

16. Каковы функции гелия в гелий-неоновом лазере 17. Почему лазеры на парах меди могут работать только в импульсном режиме 18. На каких переходах в молекулах углекислого газа происходит генерация 19. Почему активная среда лазера на углекислом газе, как правило, содержит азот и гелий 20. Приведите примеры газовых смесей, в которых могут образовываться эксимерные молекулы.

21. Проанализируйте схему потенциальных кривых одной из эксимерных молекул. Почему эксимерные лазеры работают только в импульсном режиме 22. Сформулируйте принципы работы и условия получения максимальной мощности излучения для полупроводникового инжекционного лазера.

23. В чем состоит основное достоинство жидкостных лазеров 24. Чем обусловлен эффект насыщения усиления в квантовых системах 25. Как можно улучшить усилительные свойства среды 26. Назовите основные методы возбуждения активной среды лазера.

27. Рассмотрите основные процессы взаимодействия квантовых систем и электромагнитного излучения.

ГЛАВА 2. ЛАЗЕРНЫ Е ТЕХНОЛОГИИ 2.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ Использование лазеров в технологических процессах связано с воздействием сфокусированного или несфокусированного лазерного излучения на поверхность твердого тела. Это воздействие может инициировать поверхностные химические реакции, приводить к нагреванию твердого тела или создавать ударную волну. Наиболее распространенными в технологии являются процессы, связанные с нагревом твердого тела.

Процессы термической обработки материалов лазерным излучением основаны в большинстве случаев на передаче энергии квантов света тепловым колебаниям решётки твёрдого тела, т. е. на термическом действии света. В общем случае эти процессы могут быть представлены следующими стадиями:

1) поглощение света и последующая передача энергии внутрь тела;

2) нагревание материала;

3) изменение агрегатного состояния вещества (плавление, испарение, сублимация, термодеструкция);

4) удаление материала из зоны воздействия;

5) Остывание материала после прекращения облучения.

Характерное время протекания каждой из этих стадий зависит от физико-химических характеристик облучаемого материала, длины волны и энергетических параметров излучения.

Следует отметить, что теплофизическая постановка задачи справедлива только до плотности мощности порядка 109 Вт/см2. При более высоких плотностях мощности необходимо использовать теорию взрыва, когда основным действующим фактором становится ударная волна.

Остановимся подробнее на тепловом действии лазерного излучения, которое используется в большинстве технологических процессов.

2.1.1. Поглощение и отражение лазерного излучения твердым телом Попадая на поверхность твердого тела, лазерное излучение частично поглощается, а частично отражается. Использование лазерной энергии для технологической обработки основано на поглощении излучения веществом.

Поглощение излучения материалом описывается законом Бугера-Ламберта:

I = Io (1- R) exp(- x), (2.1) x где Ix - интенсивность лазерного излучения, проникающего на глубину х;

Io - интенсивность падающего излучения; R - коэффициент отражения;

- коэффициент поглощения.

Основными механизмами поглощения излучения твердым телом являются:

1) поглощение света свободными носителями заряда, которое основано на ускорении свободных носителей заряда энергией электромагнитного поля световой волны;

2) фундаментальное или основное поглощение, связанное с отрывом электрона от атома;

3) решеточное поглощение, то есть возбуждение колебаний решетки, характерное только для сложных кристаллов;

4) примесное поглощение. Этот вид поглощения вызван переходами электронов между уровнями примеси и разрешенными зонами.

Механизмы взаимодействия существенно различны для металлов и неметаллов. Для металлов основным процессом поглощения излучения является взаимодействие квантов света с электронами проводимости в скин-слое, толщина которого составляет 10-5 - 10-6 см-1. Свободные электроны рассеивают поглощенную энергию на тепловых колебаниях решетки за время порядка 10-10 - 10-11 с. Время выравнивания температуры электронов и решетки составляет 10-8 - 10-9 с, при этом можно ввести понятие общей температуры металла. Пространственное распределение поглощенного светового потока в металле для оптических частот хорошо описывается законом Бугера - Ламберта.

Величина коэффициента поглощения зависит от концентрации свободных электронов в металле и составляет 105 - 106 см-1. Конкретные значения коэффициента поглощения для различных металлов приводятся в справочной литературе или могут быть оценены по приближенной формуле:

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 27 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.