Устройство полупроводникового лазера

Схематично устройство лазера на p-n переходе показано на рис.

Рис.

Для получения генерации лазерного излучения две противоположные поверхности (перпендикулярно запирающему слою) делают полированными и они выполняют функцию зеркал оптического резистора с R≈0.35. Две другие поверхности оставляют грубо обработанными, чтобы не допустить нежелательной генерации. Диаметр пучка достигает 40 мкм. Длина волны излучения полупроводниковых лазеров в зависимости от параметров материала и p-n перехода колеблется от 0,7 до 30 мкм. Но наибольшее распространение получили GaAs лазеры с длинной волны 0,84 мкм. Мощность непрерывного излучения достигает 5-10 мВт.

Полупроводниковые лазеры GaAs с одним p-n переходом имеет важный недостаток – высокая пороговая плотность тока, при которой достигается критическая инверсия и становится возможной генерация лазерного излучения - А/ . Они могут работать при низких температурах. Поэтому в настоящее время применяют полупроводниковые лазеры с двойными или несколькими p-n переходами соединенные последовательно. (гетеропереходные лазеры), которые имеют пороговую плотность тока А/ работают при комнатной температуре.

Полупроводниковые лазеры из-за малой мощности излучения получили основное применение в средствах передачи информации (например по волоконно-оптическим линиям) т.к. световой луч легко модулируется приложенным напряжением, а так же в других областях.

В настоящее время разрабатываются полупроводниковые лазеры большой мощности до нескольких десятков Вт. Для этого применяется последовательное и параллельное соединение большого числа единичных лазерных источников (до нескольких десятков тысяч). Такое соединение производится, например, с помощью волоконных световодов, как показано на рис.

Рис.

Получается гибкая конструкция, которая может быть упакована в очень малом объеме. Например:

Рис.

Инженерные основы лазерных технологических установок.

Введение

К настоящему времени высоковольтные технологические лазеры получили или получают применение в следующих технологических процессах.

1. Сварка

2. Сверление отверстий в металлических и неметаллических материалах. Размерная обработка этих материалов.

3. Резка металлических и неметаллических материалов.

4. Поверхностная термическая обработка, легирование и направка.

5. Обработка тонких пленок (при изготовлении изделий микроэлектроники).

6. Обработка строительных деталей и разрушение горных пород.

7. Осуществление термоядерного синтеза.

8. Управление электрическим пробоем в воздухе (лазерная молниезащита).

9. Военное применение.

10. Лазерная селективная технология (лазерная химия, биология, разделение изотопов).

11. Передача информации.

12. Применение в медицине.

Область применения технологических лазеров расширяется и этот список будет так же расширятся.

Лазерные технологические установки имеют следующие достоинства:

1. Нагрев, производимый лазером в некотором процессе, как правило, меньше, чем при соответствующей обычной технологии. Это приводит к уменьшению деформаций и дает возможность более точного управления технологическим процессом, обеспечивает высокий КПД использования энергии излучения.

2. Возможность работы на недоступных участках. Практически любой участок, который можно увидеть глазом, может быть обработан лазерным лучом. Возможности обработки любых материалов.

3. Высокая скорость движения обрабатываемого участка и следовательно высокая производительность. Например, скорость сварки может достигать 10м/мин, что на порядок выше скорости на лучших установках дуговой сварки.

4. Облегчение автоматизации процесса. Пример – перемещение лазерного луча по произвольному контуру. ЛТУ работает как правило в автоматическом режиме.

5. Возможность создания новых химико-металлургических процессов. Например, благодаря высокой скорости отжига можно реализовать новые шины поверхностного легирования.

6. Отсутствие износа лазерного излучения.

Имеются так же недостатки:

1. Высокая стоимость лазерной установки, и ее эксплуатации.

2. Трудности, связанные с надежностью и воспроизводимостью лазерного пучка.

3. Принятие специальных мер безопасности.

Структурная схема лазерной технологической установки (автоматизированного технологического комплекса).

Лазерная технологическая установка в общем случае имеет следующую структурную схему.

Рис.

1) Лазер

2) Излучение лазера

3) Оптическая система

4) Обрабатываемый материал

5) Устройство для закрепления и перемещения обрабатываемого объекта (лазерный технологический пост).

6) Система подачи технологической среды

7) Источник вспомогательной энергии

8) Программное микропроцессорное устройство управления

9) Датчик параметров излучения

10) Датчик параметров технологического процесса

11) Робот манипулятор.

Требования к промышленным и технологическим лазерам и ЛТУ

Лазерная технологическая установка должна удовлетворять определенным требованиям. Целью этих требований является обеспечение максимальных технико-экономических показателей промышленной эксплуатации, а так же реализация технических преимуществ лазерной техники и технологии.

Лазерная технологическая установка, как правило, работает в составе другого промышленного оборудования, производящего изделия или материалы. Поэтому лазерная технологическая установка должна удовлетворять, с одной стороны, общим требованиям, предъявляемым к любому промышленному оборудованию, с другой стороны, специфическим требованиям, предъявляемым со стороны лазерного технологического процесса.

Из числа общепринятых требований следует отметить такое, как обеспечение экономической целесообразности. Т .е. применение лазерных технологических процессов должно давать экономический эффект. Однако в некоторых случаях можно пренебречь этими требованиями, если применение лазерной техники обеспечивает большой социальный, экологический или технологический эффект.

Высокие технико-экономические показатели ЛТУ обеспечиваются следующими путями:

- применение модульной конструкции ЛТУ

- максимальное использование серийно выпускаемых комплектующих узлов и изделий

- унификация и стандартизация ЛТУ и его составных частей

- использование недорогих и недефицитных материалов в конструкции ЛТУ

- высокий уровень конструкторской проработки ЛТУ с целью обеспечения минимального числа блоков, максимальной технологичности при изготовлении и оптимального сопряжения с другим оборудованием.

Требования к ЛТУ со стороны лазерных технологических процессов.

1. ЛТУ должна иметь такие параметры излучения, которые обеспечивают физическую возможность того или иного лазерного технологического процесса, его высокое качество и производительность. При этом требования предъявляются к следующим параметрам излучения: интенсивность излучения на поверхности q Вт/ , длительность воздействия излучения bc, диапазон средней мощности излучения кВт, угловая расходимость, апертура пучка мм, длина транспортировки излучения в м, допустимая нестабильность мощности. Численные значения этих параметров для некоторых технологических лазерных операций приведены в табл.1.1. в кн. B.C.Голубев, Ф.В.Лебедев. Инженерные основы создания тех­нологических лазеров. М. "Высшая школа", 1988. Анализируя эти сведения можно сделать вывод, что диапазон мощностей ЛТУ 0,5÷5 кВт обеспечивает в основном потребности промышленного применения ЛТУ. Однако , на ведущих предприятиях существует точка зрения, что уже в ближайшее время потребуются ЛТУ значительной мощности до 25 кВт и более.

2. ЛТУ должна обеспечивать высокие технико-экономические показатели лазерного технологического процесса. Для этого ЛТУ должна иметь полный ресурс работы не менее ч (при среднем проценте использования лазерного излучения не менее 90%), должна быть экономичной в использовании электрической энергии, рабочих газов, жидкостей, эксплуатационных материалов, деталей, оснастки, ЛТУ должна быть полностью автоматизированной. И в конечном итоге должна быть более производительной, чем традиционные технологические установки.

3. Группа требований, предъявляемые к помещению, к инженерным и энер­гетическим системам предприятия, где применяется ЛТУ. Должны быть обеспечены надлежащие мощность и стабильность параметров электроэнергии питающей электросети, должны быть в пределах нормального уровня вибрации, шума, электромагнитных наводок, температуры, влажности и запыленности воздуха.

4. при использовании ЛТУ должны быть обеспечены требования са­нитарно-гигиенической и экологической безопасности при экс­плуатации ЛТУ. Эти требования изложены в документе "Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров".

Рассмотрим кратко основные положения этого документа.

Правила отмечают следующие опасные для человека факторы при работе на ЛТУ:

- лазерное излучение (прямое, отраженное, рассеянное)

- высокое напряжение источника питания

- световое излучение от импульсных ламп накачки и зоны взаимодействия лазерного излучения с объектом обработки

- шум и вибрация

- ионизирующее излучение

- электромагнитные поля ВЧ и СВЧ диапазона генераторов накачки

- инфракрасное излучение и тепловыделение от оборудования

- запыленность и загазованность продуктами взаимодействия лазерного излучения с обрабатываемыми материалами

- агрессивные и токсичные вещества в конструкции лазера.

Все эти факторы, за исключением первого, рассматриваются в соответствующих нормативных документах, которые распространяются на ЛТУ (например, ВН- ПТЭ и ПТБ электроустановок потребителей).

Поэтому более подробно остановимся на вопросах опасности лазерного излучения.

Правила устанавливают предельно допустимые уровни лазерного излучения ПДУ в виде допустимой энергетической экспозиции в Дж/ облучаемых тканей: роговицы, сетчатки газа и кожи. Эти уровни в диапазоне λ=0,2÷20мкм определяется с помощью таблиц или эмпирических формул, приведенных в правилах.

Все лазеры по степени опасности их излучения разделяют на 4 класса:

1 класс - прямое излучение не опасно для глаз и кожи

2 класс - излучение опасно при прямом и зеркально-отраженном попадании на глаза

3 класс - излучение опасно для глаз при прямом и зеркальном, а также диффузно (на расстоянии 10 см) отраженном попа­дании. излучение опасно для кожи при прямом и зерка­льно отраженном попадании ;

4 класс - выходное излучение опасно для кожи при диффузно отраженном попадании на расстоянии 10см от отражающей поверхности.

Для лазеров 2 и 4 классов определение уровней облучения должно проводиться периодически, не реже одного раза в год.

В зависимости от класса лазера правилами предусмотрены соответствующие меры безопасности при работе на ЛТУ.

К ним относятся применение защитных контуров, экранов, барьеров, блокировок и др. в конструкции лазерных ТУ. Применение индивидуальных средств защиты. Выполнение организационных мер безопасности.

2.2.2 Схемы и конструкции ЛТУ на базе твердотельных лазеров.

В ЛТУ такого типа применяются, в основном, твёрдотельные лазеры на основе АИГ : Nd или на стекле : Nd (иногда Рубин).

В настоящее время в нашей стране серийно выпускаются ЛТУ импульсного действия типа «Квант», а также ЛТ типа ЛТН (непрерывного действия) и ЛТ импульсного действия типа ЛТИ.

Эти установки применяются в электронной промышленности, приборостроении, в некоторых отраслях машиностроения, а также медицине и биологии. Они позволяют выполнять следующие операции: пробивка отверстий, резка, сварка, термоупрочнение, обработка тонких пленок.

Рассмотрим основные конструктивные особенности таких ЛТУ.

Излучатель

Активный элемент выполнен в виде стержня круглого сечения (из АИТ или стекла с присадкой ионов Nd). Длина до 260 мм. , диаметр до 15мм. Такой материал обеспечивает генерацию излучения с длиной

КПД до 2% - в ЛТУ импульсного действия

до 3% - в ЛТУ непрерывного действия

Недостатком такого материала является его низкая теплопроводность, что ограничивает повышение частоты следования импульсов и среднюю мощность излучения.

Лампы накачки – для непрерывных и импульсных лазерных установок применяют дуговые криптоновые лампы. Раньше они маркировались ИФП – 5000 (Квант-10), ИФП – 300 (Квант-11). Новая маркировка для импульсных ламп ИМП16/260А (Гор-100М) , для лампы непрерывного действия ДНП-6/90 (ЛТН).

Оптические резонаторы выполняются из вогнутых и плоских зеркал с многослойным покрытием.

Осветительная оптическая система излучателя – наиболее распространена осветительная система с применением линейных ламп накачки и цилиндрических отражателей кругового или эллиптического сечения.

Режимы работы излучателя. В установка типа «Квант» излучатель работает в режиме свободной генерации при импульсной накачке. В лазерах типа ЛТИ применяется режим модулированной добротности с помощью акустического оптического затвора при непрерывной накачке. В лазерах типа ЛТН действует непрерывная накачка.

ника поглощается активной средой и атомы среды переходят на верхний энергетический уровень.

В импульсных твердотельных лазерах в качестве такого источника применяют ксеноновые или криптоновые импульсные лампы высокого давления (450-1500 мм. рт. ст.). При пробое газового промежутка импульсной лампы выделяется электрическая энергия, запасенная в накопителе в виде светового излучения. Это излучение фокусируется и попадает на активную среду и обеспечивает накачку (см. рис. .). Применяются следующие оптические системы лазерных излучателей. (рис. )

Рис.

а) Лампа имеет спиральную форму. Свет от лампы попадает на активную среду непосредственно и после отражения от поверхности зеркального цилиндра. Такая конструкция осветительной системы имеет преимущество по сравнению с конструкцией (б) в том обеспечивает более равномерную накачку активной среды. Но имеет более низкий КПД.

б) Лампа имеет форму цилиндра. Лампа помещается вдоль одной из фокальных осей F1 эллиптического цилиндра. Стержень активной среды помещается вдоль другой оси F2. Лучи, выходящие из оси F1 (т. е. лампы) в любом направлении, отражаясь от поверхности цилиндра, проходят через ось F2, т. е. активную среду. Разновидностью этой конструкции – излучатель с двойным эллиптическим цилиндрическим отражателем, как показано на рис. Обеспечивает более однородную накачку. Другой (б’) вариант – лампа и стержень помещаются на возможно минимальном расстоянии друг от друга и окружаются зеркальным цилиндром с минимально возможным диаметром. Такие конструкции наиболее просты и имеют наибольший КПД. Но обеспечивают менее однородную накачку из-за несимметричного освещения стержня. Это приводит к неравномерной структуре луча лазера.

в) Применяется коаксиальная полостная лампа. Она обеспечивает симметричное освещение активной среды и максимальную однородность накачки. Но КПД такой системы в 2-3 раза меньше, чем предыдущих систем.

г) Перспективными для технологических установок считают излучатели, у которых активный элемент и лампа устанавливаются на одной оси, а отражатель представляет собой эллипсоид вращения или состоит из конических поверхностей. Такой излучатель имеет высокий КПД, симметричное поле световой накачки, т. е. достигается однородность накачки.

Коэффициенты отражения зеркал обычно составляют (стремятся сделать максимальным), (выходное зеркало). Иногда . Зеркала выполняются плоскими и сферическими.

КПД накачки складывается из нескольких составляющих

(2.29)

- эффективность передачи, это отношение мощности (энергии), которая действительно поступила в активную среду, к мощности(энергии), излучаемой лампой накачки. Численное значение в сильной мере зависит от конструкции излучателя. Для случая а) и в) можно оценить ,

где - радиус активного стержня, - радиус лампы.

При таких конструкциях излучателей

Для излучателей типа б) и г) теоретически , на практике

- излучательная эффективность лампы определяет какая часть электрической энергии, подведенной к лампе, преобразуется в энергию оптического излучения в диапазоне эффективного поглощения активной лазерной средой (например, для граната

Рис. мкм):

(2.30)

Значения можно найти в справочной литературе.

и - радиус и длина лампы, - ее площадь поверхности. - спектральная интенсивность лампы, т. е. зависимость излучаемой мощности с единицы поверхности лампы от длины волны излучения.

- называется квантовый выход накачки. Он учитывает, что на верхний лазерный уровень попадают не все возбуждаемые атомы. Часть из них переходит непосредственно в основное состояние или попадают на другие энергетические уровни и не участвуют в генерации лазерного излучения. Эту величину очень трудно рассчитывать и измерять, т.к. она зависит от многих свойств активной среды и излучателя. Для случаев а и в , для б и г

- эффективность поглощения – показывает, какая часть (энергии) излучения, поступившего в активную среду, поглотилась атомами и перевела их в возбужденное состояние. Эту величину так же трудно рассчитать.

- квантовый КПД – отношение энергии излучаемого кванта к энергии поглощаемого при создании инверсии. - зависит от конкретной схемы уровней активной среды.

- коэффициент использования активной среды.

- эффективный объем активной среды – объем активной среды занятый нацетикой.

- полный объем активной среды.