На прошлой лекции мы рассмотрели
возможности применения твердотельных лазеров,
для реализации технологических процессов.
СО2-лазеры так же используются,
они в значительной степени уступают конкуренцию,
но во многих процессах, которые требуются
очень больших энергий, ну например,
процессы резки элементов деталей самолетов,
ракет, подводных лодок и так далее.
До сих пор СО2-лазеры обладают
конкурентоспособностью в этих процессах,
поэтому мы рассмотрим сегодня
свойства СО2-лазеров в качестве
технологически активных элементов.
Значит СО2 работают на
использовании газовой смеси
состоящей из молекул СО2, азота и гелия.
Азот необходим для того, чтобы
передавать возбужденное состояние
колебательно-вращательного спектра азотной молекулы,
непосредственно молекулам СО2,
поскольку они находятся в резонансе.
Какие же рабочие уровни?
Вот мы посмотрим на слайде.
В СО2, соответственно, газе
есть три типа колебаний,
которые используются для организации
верхнего и нижнего рабочих уровней,
так называемые колебания молекулы
симметричны, антисимметричны и деформационные.
Симметричные, когда относительно молекулы углерода
атомы кислорода колеблются симметрично,
ассиметрично, когда колеблются не симметрично,
а деформационные, когда молекулы изгибаются.
Мы видим на слайде какие рабочие уровни
используют колебания типа одного,
другого или третьего.
Разность энергий позволяет реализовать
излучение в области 10,6 микрон и 9,6 микрон,
которые используются в технологии.
Важным параметров в технологических лазерах
на СО2 смеси является
коэффициент полезного действия.
Коэффициент полезного действия,
он достаточно сложно описывается,
он определяется произведением
коэффициентом полезного действия квантового,
колебательного, оптического,
разрядного и системы обслуживания.
Важно определить, что такое квантовый
коэффициент полезного действия.
Это отношение энергии кванта
к энергии верхнего рабочего уровня,
и оно составляет 41 %,
поэтому если вы после прохождения курса
когда-нибудь ответите на вопрос о том,
что может ли коэффициент полезного действия
СО2-лазера превышать 50% положительно,
то это покажет вашу полную, так сказать,
не состоятельность в понимании этого процесса.
Значит 41 %, запомните.
Дальше есть, соответственно,
колебательный коэффициент полезного действия,
описывающий эффективность оптической системы
и эффективность разрядной системы,
и эффективность всей системы обслуживания.
Лазеры на газовой смеси делятся на два типа:
лазеры с так называемым диффузионным охлаждением
и лазеры быстропроточные
или с конвективным охлаждением,
то есть первый тип, соответственно классификации,
это по типу охлаждения.
Во-первых, давайте подумаем, почему
вообще нужно охлаждение?
Конечно, смесь разогревается,
конечно, казалось бы, надо, конечно, ее охлаждать,
но принципиально то, что при нагреве смеси,
происходит разная степень зависимости
населенности верхнего и рабочего уровней.
Нижний уровень, соответственно, меняет
экспоненциальность температуры, а верхняя – линейна.
Поэтому есть точка пересечения,
когда при нагреве у нас пропадает инверсия.
Поэтому принципиально охлаждать смесь нужно
вследствие того, что пропадает инверсия.
Ну и конечно тогда есть здесь максимальная зависимость
инверсии от температуры,
то есть оптимальная температура для смеси.
В случае если используется лазеры
с диффузионным охлаждением, то охлаждение смеси
достигается диффузией тепла от,
соответственно, разогретого внутри трубки пространства
к охлаждаемым водой стенкам трубки,
где происходит разряд.
Все определяется коэффициентом диффузии тепла,
то есть определяется возможностью охлаждения,
принципиально мы могли бы, как бы в разряд
закачать большую энергию,
энергия определяется средним от
произведения плотности электрического тока
на среднюю напряженность поля,
но это значение ограничено возможностью охлаждения.
Поэтому первый важный вывод —
лазеры с диффузионным охлаждением имеют
ограничения на свою мощность
за счет способа или системы охлаждения.
Другой тип охлаждения — лазеры быстропроточные.
В этом случае смесь охлаждается
не за счет диффузии тепла,
а за счет ее смены в рабочей камере.
Смесь меняется быстрой прокачкой,
то есть каждый раз поступает охлажденная смесь,
которая соответственно может работать,
в которой есть легко создать инверсную населенность.
Ну и естественно, что лазеры
с диффузионным охлаждением имеют некую
предельную мощность, которая определяется
важным параметром.
Вообще для газовых лазеров важный параметр,
так называемый энергосъем
с единицы длины резонатора.
То есть если мощность лазера поделить
на длину резонатора, который реализован в лазере,
то мы получим такую характеристику,
по которой можно эти лазеры сравнивать.
Оказывается, что
для лазеров с диффузионным охлаждением,
за счет того что можно снять только
часть энергии за счет диффузии тепла,
это значение ограничено, от 50 до 100 Ватт с метра.
Поэтому для того, чтобы получить киловатную машину,
надо набрать много метров резонатора.
То есть сделать такую очень объемную систему.
Ну и когда начинала развиваться
технологическое применение СО2-лазера,
такие лазеры были созданы.
Они представляли из себя такие трубы:
5–10 метров, 5–6 метров,
в которых последовательно собиралось
несколько параллельно труб,
и в этих трубах создавалась, соответственно,
инверсия населенности,
и снималось излучение порядка 1 кВт.
Это ограничение на скорость охлаждения,
конечно, неудобная для развития мощных лазеров.
Поэтому более перспективными стали лазеры
с конвективным охлаждением.
Энергосъем существенно возрос,
и были реализованы разные типы лазеров.
Лазеры с конвективным охлаждением
с продольной прокачкой, где прокачивался
СО2 с азотом через трубы,
такие же трубки как и в лазерах
с диффузионным охлаждением,
но они уже не охлаждались водой,
а соответственно прокачивались и менялась смесь.
И следующий этап развития,
были созданы лазеры с поперечной прокачкой,
где уже соответственно организовывался разряд,
где разрядная камера совмещалась
с камерой резонатора в поперечном
направлении прокачки газа,
и уже в таких лазерах гораздо легче было бы получить
большие мощности.
Такие лазеры были созданы во многих странах
со средней мощностью в непрерывном режиме —
3, 5, 10 кВт и выше.
Ну и собственно вот эти лазеры с поперечной прокачкой
и составили основу технологического парка
лазеров для обработки больших деталей
в автомобильной промышленности,
в авиационной промышленности,
в ракетостроении и так далее.
Постепенно, поскольку есть преимущество
твердотельных лазеров, за счет конкуренции
на многих производствах постепенно происходит замена.
В значительной степени замена на волоконные лазеры.