1.3.8. Импульсные -лазеры

Во многих приложениях, таких как разделение изотопов, селективная химия, скрайбирование поверхности, прошивка отверстий и т.д. — необходимый технологический эффект достигается наилучшим образом при импульсно-периодическом воздействии лазерного излучения. Такие лазеры обладают рядом особенностей, которые обусловлены, в основном, нестационарностью протекающих процессов накачки и генерации. Рассмотрим эти особенности на примере импульсных СО2-лазеров.

На форму импульса СО2-лазера сильно влияет состав его рабочей смеси, а точнее -— доля N в ней. Импульс состоит из короткого лидирующего пичка и следующего за ним более протяженного хвоста (рис. 31,а).

Короткий пучок является результатом снятия инверсии с ансамбля молекул СО2, которые возбуждены непосредственно электронным ударом. Возбуждение молекулы СО2 молекулами доля N осуществляется за время значительно большее, поэтому и соответствующая этому возбуждению инверсия будет сниматься через более позднее время. Это и обуславливается появлением более длительного хвоста. Чем больше содержится азота в смеси, тем выше и шире этот хвост. Снижение же азота приводит к снижению высоты хвоста.

Инверсия в импульсных СО2-лазерах достигается либо путем создания импульсного обьемно-однородного ГР, либо путем возбуждения несамостоятельного ГР импульсным пучком быстрых электронов(комбинированный ГР). Энергия импульса лазерного излучения определяется возможными значениями удельного энерговклада (электрическая энергия, приходящаяся на единицу массы газа), объема активной среды V и плотности газа р и составляет

(1.32)

б

в г

Рис 31

В случае импульсно-периодического режима работы рабочую смесь лазера перед следующим импульсом накачки необходимо охладить. Это осуществляется тем же путем, что и в лазерах непрерывного действия — процессами диффузионного либо конвективного теплообмена.

Основные параметры импульсных СО2 — лазеров, такие как Е — энергия импульса, — длительность импульса, f — частота повторяемости импульсов, р — давление рабочей смеси, зависят от конкретной схемы лазера. Эти схемы могут быть нескольких видов. Наиболее характерными являются схемы, представленные на рис. 31,б-г. Рассмотрим их.

1. Первая схема (рис.31,б) отличается от стационарных СО2 — лазеров с диффузионным охлаждением смеси лишь режимом питания заряда. Диффузионный пробой разрядного промежутка под действием высоковольтного импульса приложенного напряжения возможен лишь при низких давлениях газа (р < 30..50 торр). При более высоких значениях р пробой носит стримерный характер и уже с самого зарождения разряд является неоднородным и непригодным для накачки лазерной смеси. Поэтому, подставляя в выражение (1.32) значения p г/см (р 50торр), (jE) =200 — ЗООДж /г и , получим

удельную энергию излучения в импульсе Е ,/V 0,5 — 1,5 кДж/м .

Частота следования импульсов излучения в лазере с диффузионным охлаждением ограничивается скоростью отвода тепла к охлаждаемым стенкам и составляет

f (1.33)

2. Возможно несколько способов сохранения диффузионного характера разряда при повышении давления газа. Наиболее простой и распространенный из них — использование вспомогательных искровых разрядов, расположенных вдоль зоны накачки (рис. 31,в). Такие схемы разряда позволяют поднять давление смеси до нескольких атмосфер. Согласно выражения (1.32) энергия импульса излучения лазера при р =1 атм может достигать ~20 Дж слитра активного объема лазера. Длительность излучения при р = 1 атм

составляет (0,1- 1) 10

3. При сохранении диффузионного характера охлаждения частота следования импульсов

в такой системе не может быть велика из-за больших значений и р и при р 1атм и =1см не превысит нескольких герц. Повысить ее можно, используя конвективный метод охлаждения среды, т.е. создавая быстропроточные системы замкнутого цикла с поперечным расположением оптической оси относительно направления потока газа. Схема одного из возможных вариантов газоразрядной камеры такого лазера представлена на рис. 31,г.

Значения Е и такого лазера будут такими же, как в случае лазера, показанного на рис. 31,в. Однако предельная частота следования импульсов в быстропроточном лазере уже не зависит от давления. Она определяется временем прокачки рабочей смеси через зону разряда и при сохранении энергии в каждом импульсе не может превьшать величины

f (1.34)

Реально достижимые частоты повторения импульсов в быстротечных лазерах, как правило, не превышают (0,2 — 0,5)f . При более высоких частотах линейный рост мощности Р с

частотой замедляется и мощность может даже начать убывать. Это обусловлено рядом физических явлений. Во-первых, возбуждаемая электрическим разрядом область газа расширяется за счет нагрева. Это приводит к увеличению эффективной длины зоны накачки до l и уменьшению f . Вторым ограничивающим линейный рост мощности лазера явлением необходимо назвать нагрев входящего в зону возбуждения газа ударными волнами, возникающими в разрядной камере за счет импульсного характера выделения тепловой энергии при накачке. К числу процессов, ограничивающих мощность лазера, необходимо также отнести раскачку акустических колебаний в газоразрядной камере, являющейся, по сути дела, акустическим резонатором с набором собственных частот а / , где - длина возможных акустических волн, а — их скорость. При а (5 — 10).10 см/с и 10 — 100 см некоторые частоты повторения импульсов накачки могут попасть в резонанс и привести к образованию неоднородностей газа, которые в свою очередь приведут к возникновению неоднородного разряда и ограничению возможной мощности накачки, а следовательно, и генерации.

Таким образом, при типичных условиях 100м/с, l 5 — 10см реальное значение f составит 200 — 1000Гц. Дальнейшее существенное повышение f возможно при переходе к сверхзвуковым скоростям потока газа либо путем снижения энерговклада в каждый импульс. В последнем случае нагрев газа до допустимых температур будет осуществляться не за один, а несколько импульсов излучения.

Говоря о частоте следования импульсов СО2-лазера необходимо отметить принципиальную возможность ее существенного повышения в лазерах с диффузионным охлаждением. Из (1.33) видно, что f ~d . При р~50торр и d ~ 1мм величина f может достигать 10 — 100 кГц, что существенно выше f для быстропроточных лазеров. Возможность достижения частот 10 — 40 кГц уже подтверждена экспериментально в волноводных СО2-лазерах с площадью сечения разрядного канала 1мм. Естественно, повышая частоту следования импульсов таким образом, мы неизбежно сокращаем объем рабочего тела и мощность излучения лазера. Это противоречие можно устранить, используя описанные выше многолучевые схемы лазеров. Многолучевой импульсно-периодический лазер, состоящий из большого числа тонких параллельных газоразрядных каналов, открывает пути получения высоких мощностей и частот повторения импульсов одновременно.

Требования, предъявляемые к параметрам импульсных СО2-лазеров со стороны технологов, определяются конкретной задачей и могут существенно различаться. Для процессов селективной технологии необходимы короткие (10 с) длительности импульсов, высокая интенсивность излучения и высокая частота их повторения. В качестве примера установки, в которой эти требования удовлетворены наиболее просто и полно, можно назвать экспериментальные лазеры типа "Дятел".

Такие процессы термической лазерной технологии, как сварка, термоупрочнение, сверление, требуют, наоборот, весьма длинных (10 — 10 ) импульсов излучения. Для получения таких характеристик при импульсном возбуждении среды приходится увеличивать относительное содержание азота в смеси, снижать ее давление (до 100 — 200торр), несколько смещать резонатор лазера относительно зоны возбуждения по потоку, увеличивать устойчивость резонатора путем секционирования электродов. Все это позволяет «удлинить» с некоторыми потерями мощности импульс излучения до 10 — 10 с. Получение более длинных импульсов излучения целесообразнее осуществлять с использованием разрядных камер СО2-лазеров непрерывного действия, модулируя мощность накачки или прозрачность резонатора.

Весьма удачным вариантом быстропроточного лазера с модуляцией возбуждения необходимо назвать универсальный по режимам генерации лазер «Лантан».

Спектр возможных и достигнутых в настоящее время параметров импульсно- периодических СО2-лазеров, таким образом, весьма широк. Взятые в отдельности энергия, средняя мощность излучения и частота повторения импульсов могут достигать 10-20 Дж, 1-4 кВт и 10-100 кГц соответственно и обеспечивать эффективное проведение самых различных процессов селективной и термической технологии.