Поиск по каталогу  |  Интер-Сервис      in-s ООО "ВолгаЛазер" ООО "ВолгаЛазер"
ЛК 2015
ELEn C2200
MGO 3000
О компании
Производство
лазерная резка металлов, резка металлов
Услуги / цены
Контакты
 

Лазер как источник излучения

Лазер представляет собой генератор электромагнитных волн в диапазоне ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучений, характеризующихся высокой степенью монохроматичности и высокой когерентностью.

Принцип действия лазера состоит в том, чтобы достигнуть синхронизации обычно статистически (спонтанно) излучающих атомных диполей. Это означает, что свойства излучения системы в основном должны определяться вынужденным излучением.

Это возможно только в том случае, когда число атомов на верхнем энергетическом уровне рассматриваемого перехода больше, чем число атомов на нижнем энергетическом уровне; такое состояние обозначается как состояние с инверсией заселенностей. Отсюда следуют два условия генерации лазера.

Первое условие генерации лазера: наличие инверсии заселенностей. Излучение, во-первых, происходит спонтанно и, во-вторых, за счет актов вынужденного испускания, причем вынужденное излучение преобладает над поглощением, так что происходит усиление вначале спонтанно созданного поля излучения. После вынужденного излучения при взаимодействии со многими атомами электромагнитное поле идентично по фазе и частоте падающей волне, но с усиленной интенсивностью. Чтобы при усилении за счет вынужденного излучения получить интенсивное поле определенной фазы и частоты и тем самым большую длину когерентности, необходимо, чтобы всегда одна и та же волна при взаимодействии со средой с инверсной заселенностью стимулировала ее к вынужденному испусканию излучения.

Это достигается с помощью обратной связи усиленной волны в резонаторе, в котором возможны только определенные собственные колебания (моды).

Если в резонансной системе усиление волны больше, чем потери, то в системе на основе всегда имеющегося спонтанного излучения (шума) происходит самовозбуждение колебаний, при этом имеет место переход от лазерного усилителя к оптическому генератору.

Отсюда следует второе условие генерации лазера (пороговое условие): усиление света должно компенсировать затухание энергии, обусловленное потерями в резонаторе.

Спонтанно испущенный фотон точно определенной частоты и направления (соответствующий собственному колебанию резонатора) проходит через инвертированную систему атомов и вызывает с определенной вероятностью вынужденное излучение, причем эта вероятность тем больше, чем чаще фотон проходит систему возбужденных атомов. Это равным образом относится к индуцированно испущенному через определенное время фотону точно того же сорта (собственное колебание резонатора). Оба фотона распространяются через систему атомов и индуцируют испускание других фотонов. Этот процесс продолжается лавинообразно из-за увеличивающейся с ростом интенсивности вероятности излучения. Этим самым возрастает интенсивность излучения в моде или модах с очень незначительными потерями, и происходит, наконец, самовозбуждение генерации лазера, если увеличение энергии за один проход резонатора превалирует над потерями. В качестве потерь для поля излучения в основном рассматриваются вывод части излучения с помощью зеркал резонатора, а также потери, обусловленные дифракцией и рассеянием.

По отношению к обычным источникам света поле излучения лазера, созданного таким образом, принципиально отличается: большой длиной когерентности, обусловленной вынужденным излучением и резонатором, и высокой стабильностью интенсивности излучения, обусловленной насыщением при уменьшении инверсной заселенности.

Свет как излучение синхронизированных атомных диполей называют лазерным излучением.

Создание инверсии заселенностей может происходить различными способами и характеризовать отдельные типы лазеров. В качестве активных сред, в которых достигается инверсия заселенностей, пригодны большое число атомов и молекул в разнообразных конфигурациях:
а) ионы металлов переходной группы, редкоземельных элементов и актиноидов (введенные в разнообразные матрицы основного материала они образуют основу для твердотельных лазеров);
б) атомы, ионы и молекулы в газообразном состоянии (используются в газовых лазерах);
в) сложные молекулы красителей (используются в лазерах на красителях);
г) полупроводниковые кристаллы преимущественно с р-n-переходом (используются в полупроводниковых лазерах).

В настоящее время существует большое число возможных активных сред и тем самым источников лазерного излучения в спектральной области от 10-7 до 10-3 м. При этом для большого числа твердотельных и газовых лазеров длина волны лазерного излучения фиксирована и не перестраивается (или перестраивается только в малом диапазоне), так что непрерывно охватывается не вся указанная область спектра. В спектральной области от 0,4 до 32 мкм возможна непрерывная перестройка частоты с помощью лазеров на красителях (в диапазоне длин волн от 0,4 до 1,2 мкм) и ряда полупроводниковых лазеров (в диапазоне длин волн от 0,8 до 32 мкм). Лазеры с перестраиваемой частотой имеют большое значение в ряде применений, преимущественно в спектроскопии.

Кроме того, эти ограничения показывают также проблемы, которые ставятся на передний план в будущих исследованнях по лазерам и разработкам лазерных систем, не говоря о разнообразных применениях лазеров: распространение лазерного принципа действия на более короткие длины волн (до длины волны рентгеновского излучения); увеличение диапазона перестройки различных типов лазеров.

Принцип работы лазера, называемого иначе оптическим квантовым генератором, можно пояснить следующим образом.

В пространстве, заполненном активной средой, между двумя плоскими зеркалами, одно из которых полупрозрачно, движется поток излучаемых атомами фотонов (рис. 1). Большая часть этого потока проходит через полупрозрачное зеркало и излучается во внешнее пространство, в виде когерентного луча, а небольшая часть потока отражается, движется обратно, усиливаясь по пути, затем отражается от зеркала 1, снова движется к зеркалу 2, где частично отражается и т.д. При условии, что внешний источник поддерживает инверсное состояние активной среды, через зеркало 2 постоянно будет излучаться когерентный поток фотонов.

Лазер как источник излучения

Рис. 1 – Схема лазера с оптической накачкой

Создание оптического квантового генератора позволило применить его в качестве инструмента лазерных технологических установок на которых осуществляется лазерная резка, сварка, термообработка.

Лазерное излучение обеспечивает высокую плотность энергии на относительно малых участках обрабтки материалов, благодаря чему является универсальным инструментом для осуществления технологических операций резки металла. Лазерная резка металла выполняется с высокими скоростями. Наряду с большой производительностью достигается высокое качество поверхностей реза практически на всех материалах независимо от их темперауры плавления и твердости.

<< вернуться на страницу «Технологии»


Яндекс цитирования ЛАЗЕРНАЯ РЕЗКА
ЛАЗЕРНАЯ РЕЗКА МЕТАЛЛА