Введение. Классификация электротехнологических установок

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ

Составил: А.М. СОКОЛОВ

Иваново, 2011

Литература

Основная

1. Лазерная техника и технология. Кн. 1 – Кн.7, под ред. А.Г. Григорянца, авт: В.С. Голубев, Ф.В. Лебедев, А.Г. Григорянц и др. М., Высшая школа, 1987г.

2. А.В. Донской, В.С. Клубникин. Электроплазменные процессы и установки в машиностроении. Л. Машиностроение, 1979 г.

3. Основы электронно – лучевой обработки материалов. Н.Н. Рыкалин и др. М.: Машиностроение, 1975 г.

4. А.Л. Лившиц, М.Ш. Отто. Импульсная электротехника. М. Энергоатомиздат, 1983.

Дополнительная

1. Л.Л. Гольдин. Физика ускорителей. М.: Наука 1983 г.

2. процессы и установки электронно – ионной технологии. В.Ф. Попов, Ю.Н. Торин, М.: Высшая школа, 1988 г.

3. О. Звелто. Принципы лазеров. М.: Мир, 1984 г.

4. Мощные газоразрядные СО₂ – лазеры и их применение в технологии. Г.А. Абильсиитов, Е.П. Велихов и др. М.: Наука, 1984 г.

5. В.Н. Вакуленко, Л.П. Иванов. Источники лазеров. М.: Сов. радио, 1980 г.

6. Ю.В. Байбородин. Основы лазерной техники. Киев, Высшая школа, 1988г

ЛАЗЕРНЫЕ УСТАНОВКИ

Введение

Основным элементом лазерной технологической установки является лазер (оптически квантовый генератор – ОКГ) т.е. устройство для преобразования энергии электрического поля высокого напряжения в энергию направленного электромагнитного излучения в оптическом диапазоне частот ИК (инфракрасного) лучей, видимого спектра, УФ (ультрафиолетового) и рентгеновского излучения. Излучение лазера (ОКГ) – это поток фотонов. Для технологических целей обычно применяют лазеры с излучением в диапазоне ИК и видимых лучей.

Laser: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление света посредством вынужденного излучения).

Участки оптического диапазона частот электромагнитного излучения:

Вид излучения	Длина волны - в мкм
Инфракрасное	400 – 0.76
Видимое	0.76 – 0.4
Ультрафиолетовое	0.4 – 0.005
Рентгеновское
- лучи

Фотон – квант электромагнитной волны. Электромагнитная волна, имеющая конечные размеры в пространстве и времени. Время излучения ~10^-8 с.

Основные параметры рассчитываются по формулам:

; ; .

Рис. Вид электромагнитной волны лазерного излучения в проекциях на оси электрической и магнитной составляющей.

Классификация лазеров

По виду рабочей (активной) среды:

- твердотельные,

- газовые,

- жидкостные,

- полупроводниковые.

По виду преобразуемой энергии:

- электрические (высоковольтные),

- тепловые,

- химические,

- динамические (механическая энергия движения активной среды-газа),

- ядерные (по длительности излучения).

По длительности излучения:

- импульсные (время излучения с),

- непрерывного излучения,

- универсальные – работают как в импульсном режиме так и в режиме непрерывного излучения.

В настоящее время наибольшее развитие и применение (особенно в технологии) получили твёрдотельные и газовые высоковольтные лазеры импульсного и непрерывного действия. Лазеры других видов имеют ряд недостатков, которые ограничивают их применение в технологии. В обозримом будущем ситуация не изменится. Поэтому в настоящем курсе рассматриваются в основном лазеры следующих видов: твердотельные и газовые высоковольтные лазеры. Рассмотрим структурные схемы этих, наиболее распространённых видов технологических лазеров.

Твёрдотельный лазер

Рис.

Газовый лазер

Рис.

ИВН - источник высокого напряжения,

ЕН - накопитель энергии,

СУ- система управления,

БЗ - блок запуска,

И - излучатель,

АЭ - активный элемент (среда),

ОС - система охлаждения,

Р - резонатор, оптический,

СП - система прокачки газовой активной среды.

Возбужденное состояние

Невозбужденное состояние

Рис.

N₁ и N₂ в [1/м³] – число частиц в единице объёма находящихся на энергетических уровнях Е₁ и Е₂ в возбужденном и невозбужденном состоянии соответственно; Е₁ и Е₂ – внутренняя энергия в ДЖ, ЭВ или в см^-1

Изменение внутренней энергии частиц от Е₁ до Е₂ и наоборот, называют энергетическим переходом. Направление энергетического перехода указывается стрелкой. В квантовой электронике энергию элементарных частиц и возбуждения выражают обычно не в Дж а в эВ.

(1 см^-1 – энергия фотона с = 1 см, т. е. = Гц).

1 эВ = 1.6 10^-19 Дж = 8.1 10³ см^-1;

1 см^-1=2 10^-23 Дж = 1.24 10^-4 эВ.

Спонтанное излучение

Допустим частица находится в возбужденном состоянии, т.е. на Е₂ > Е₁. Возбужденное состояние, как правило, оказывается (является) неустойчивым и непродолжительным (обычно не более 10^-7- 10^-8 с.). Электрон с энергетического уровня Е₂ возвращается на прежний, основной уровень Е₁. В атоме (молекуле или ионе) выделяется энергия равная Е₂ – Е₁. Когда эта энергия высвобождается в виде кванта электромагнитной энергии, т.е. фотона – процесс называют спонтанным излучением (рис. а). Частота электромагнитного излучения определится по формуле Планка:

(2.1)

h=6.6 10^-34 Дж с – постоянная Планка. Энергия фотона равна - разности энергии уровней между которыми происходит переход (Рис. а).

а) б) в)

Рис.

Процесс спонтанного излучения. “Гибель” частиц и “Рождение” фотонов.

Рис

Следует отметить, что переход может произойти без излучения. Тогда разности энергии выделяются в другой форме, например, переходит в кинетическую энергию теплового движения молекул.

Процесс спонтанного излучения (рис. ) описывается следующим образом. Допустим, в момент t на уровне E₂ находятся N₂ атомов (в единице объема). Скорость перехода (“гибели”) этих атомов вследствие спонтанного излучения на нижний уровень, очевидно, пропорциональна N_{2 ,} исходя из сказанного, можно записать:

(2.2)

в левой части равенства скорость перехода, «–» указывает на снижение N₂ ,

А – вероятность спонтанного излучения, называемая коэффициентом Эйнштейна. А=1/ , - называется спонтанным временем жизни. Численные значения А и зависят от конкретного перехода.

При спонтанном излучении электромагнитная волна кванта имеет произвольную фазу и направление распространения, т.е. излучение не когерентное. Скорость изменения числа (“рождения”) новых фотонов:

(2.3)

Вынужденное излучение

Предположим что на вещество, в котором атомы находятся на уровне E₂попадает фотон, т.е. квант электромагнитного излучения, с частотой равной частоте спонтанного излучения. В этом случае, при взаимодействии фотона с возбужденным атомом существует конечная вероятность того, что падающая волна вызывает переход атома с уровня E₂на уровень E₁.

При этом разность энергий E₂ – E₁ выделится в виде кванта электромагнитного излучения в дополнение к имеющемуся (рис. б). Это и есть процесс вынужденного излучения.

При вынужденном излучении электромагнитная волна нового фотона совпадает с фазой электромагнитных колебаний инициирующего фотона. Новый фотон имеет строго определенное направление распространения (как правило совпадает с направлением инициирующего фотона).

Процесс вынужденного излучения.

Графическое – качественное отображение.

Рис.

Аналогично спонтанному излучению процесс вынужденного излучения (рис. ) можно описать уравнением:

, (2.4)

- вероятность вынужденного перехода , но в отличии от А зависит не только от конкретного электронного перехода, но и интенсивности облучения.

Для плоской электромагнитной волны .

с – скорость фотонов (света), F- плотность фотонов , - сечение вынужденного излучения [м²] зависит только от характеристик энергетического перехода.

Скорость изменения числа новых фотонов:

(2.5)

Поглощение

Предположим, что атом находился на уровне E₁. Пусть на вещество воздействует квант энергии с частотой излучения . В таком случае существует конечная вероятность того, что атом перейдет на уровень с энергией E₂. Разность энергий Е₂ – Е₁ , необходимая для такого перехода, берется из энергии фотона. Это есть процесс поглощения.

По аналогии с предыдущими процессами. Процесс поглощения (рис. ) описывается:

(2.6)

- вероятность поглощения, - число атомов в единице объёма, которые в данный момент времени находятся на уровне E₁. Аналогично предыдущему случаю вынужденного излучения:

.

- сечение поглощения,

Скорость поглощения фотонов:

(2.7)

как показал Эйнштейн, , = , т.е. - сечение рассматриваемого перехода. - вероятности вынужденного излучения и поглощения равны друг другу. = 10^-12 – 10^-24 см².

Процесс поглощения. Графическое – качественное отображение.

Рис.

Оптические резонаторы

Как видно из сказанного выше обязательным элементом ОКГ является оптический резонатор. Оптический резонатор, как правило, имеет два плоских или сферических зеркала квадратной или чаще круглой формы. Эти зеркала расположены на расстоянии L, которое колеблется от нескольких см до нескольких десятков см. Размеры зеркал лежат в пределах от долей см до нескольких см.

Одно из зеркал для выхода полезного излучения делается полупрозрачными. Усиление потока излучения в активной среде при лазерном излучении зависит не только от состояния среды, но также от параметров резонатора и прежде всего расстояние L. Наибольшее усиление достигается при выполнении условия резонанса. Это условие заключается в следующем. Расстояние должно быть таким, чтобы при многократном отражении фотонов, т.е. электромагнитных волн, от поверхности зеркал в промежутке между зеркалами возникала пространственная конфигурация стоячих электромагнитных волн. Эта конфигурация стоячих волн называется модой резонатора. При этом частота электромагнитных колебаний моды должна быть равна частоте излучения лазера .

Типы оптических резонаторов.

Рис.

а) Плоскопараллельный резонатор. Этот резонатор состоит из двух плоских зеркал, расположенных параллельно друг другу.

Ход лучей в резонаторе показан на рисунке.

Достоинства: такой резонатор прост в изготовлении и обеспечивает наименьшую расходимость луча. Для выполнения условия резонанса длина резонатора L должна быть равной целому числу полуволны n, т.е. , где - длина волны.

Тогда резонансные частоты определяются по формуле , n-целое положительное число.

б) Концентрический (или сферический) резонатор. Резонатор состоит из двух сферических зеркал, имеющих одинаковые радиусы r. Зеркала расположены на расстоянии L=2r, т.е. центры кривизны зеркал совпадают.

Ход лучей в резонаторе показан на рисунке. Условие резонанса выражается теми же соотношениями, что и в предыдущем случае.

в) Полуконцентрический (полусферический) резонатор. Резонатор состоит из сферического зеркала радиусом r и плоского полупрозрачного зеркала. Зеркала расположены на расстоянии L=r. Ход лучей в резонаторе показан на рисунке. Не критичен к расстоянию между зеркалами.

г) Конфокальный резонатор. Резонатор состоит из двух зеркал радиусом r. Расположенных таким образом, что фокусы зеркал F₁ и F₂ совпадают. При этом получается, что L=r, т.е. центр кривизны одного зеркала лежит на поверхности другого. Ход лучей показан на рисунке.

Такой резонатор обеспечивает наименьшие потери в активной среде.

д) Полуконфокальный резонатор. Резонатор состоит из сферического зеркала радиусом r и плоского зеркала. Расстояние между зеркалами удовлетворяет условию L=r/2. Ход лучей показан на рисунке.

е,ж,з) Резонаторы с выпуклыми сферическими зеркалами (с отрицательными радиусами кривизны). Резонатор содержит два выпуклых зеркала или одно выпуклое и одно плоское зеркала или одно выпуклое и одно вогнутое. Оба зеркала выполняются зеркалами полного отражения, а полезное излучение получают за счёт выхода его из области резонатора. Применяют обычно в лазерах очень высокой мощности (P>1кВт), где трудно применить полупрозрачные зеркала для получения полезного излучения.

Все резонаторы с произвольным значением r_1,r₂ и L занимают промежуточное положение по отношению к рассмотренным.

Часто используют резонаторы образованные двумя вогнутыми сферическими зеркалами одинакового радиуса r, либо одним вогнутым и одним плоским. Расстояние между зеркалами выбирается в пределах r<L<2r. Такой резонатор занимает промежуточное положение между конфокальным и сферическим резонаторами. Выполняют также резонаторы у которых L<r.

Лазер на рубине.

В качестве активной среды используется кристалл рубина , где часть атомов замещена (содержание 0.05%) или (1.6 атомов в ) в виде стержня диаметром 5-10 мм; . Картина энергетических уровней в веществе представлена на рис. .

Рис.

Наличие атомов приводит к появлению метастабильного уровня – 2.

В чистом рубине имеется два энергетических уровня 1и3 с двумя частотами поглощения 0.42 мкс (фиолетовая полоса видимого спектра) 0.55 мкс (зелёная полоса). Наличие атомов приводит к появлению метастабильного уровня – 2.

Лазер на рубине, таким образом, работает по трёхуровневой схеме.

При возбуждении (поглощении) атомы среды переходят с уровня1 на уровень3, где время жизни = сек. Т.е. атомы быстро переходят (без излучения) на метастабильные уровни 3. Время жизни = сек. Происходит накопление частиц на энергетических уровнях 2и появляется инверсия населенности .

Благодаря этому возникает лазерное излучение с красного цвета (длина волны λ = 0,69 мкм) с использованием перехода .

Рубиновые лазеры имеют следующие выходные параметры:

1. Мощность в одиночном импульсе достигает Вт, 1-10 ГВт

2. К. П. Д. 1 %

3. Режим работы – только импульсный 1 Гц.

Неодимовый лазер.

В качестве активной среды используется либо кристалл (YAG) (иттрий – алюминиевый гранат) либо стекло, в которое введены ионы Nd( %) и (1%).

Размеры активного элемента достигают размеров =1 м; максимальный диаметр ≈ 10 см.

Рис.

Неодимовый лазер работает по четырехуровневой энергетической схеме (рис. ). Поглощение происходит на частотах, в диапазоне 0.35 0.9 мкм, но особенно интенсивно на частотах соответствующих λ=0.73;0.8 мкм. Атомы при этом переходят на уровни 3. Затем происходит безизлучательный и быстрый переход на метастабильный уровень 2, где происходит накопление частиц и создается инверсия населенностей /

Время жизни на метастабильном уровне

Переход между уровнями 2 1 генерируется излучение с λ=1.06 мкм (в инфракрасной области излучения).

Неодимовые лазеры имеют следующие характеристики:

1) Лазеры на гранате могут работать не только в импульсном, но в непрерывном режиме.

2) Мощность единичного импульса может достигать гигантских значений 20 Вт (20000 гВт) и полной энергией 15 кДж. В непрерывном излучении мощность не более 1 кВт. (АИГ).

3) К.П.Д.-1.5-3 %

Способ накачки и излучатели твердотельных лазеров.

Создание инверсии населенности в активной называется процессом накачки.

В твердотельных лазерах применяется оптическая накачка. При этом некогерентное излучение мощного источника

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