Лазерные технологии с момента своего открытия широко применяются в самых разных отраслях науки и техники, а также в быту. Все мы пользуемся лазерными принтерами, лазерными указками, в магазинах используются считыватели штрих-кодов на основе лазерного луча. В медицине с помощью лазеров проводятся сложнейшие операции и многое другое. Наш курс посвящен физическим основам лазерных технологий. Цель курса — дать глубокое понимание физических процессов, происходящих при взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом и рассмотреть физические проблемы этого взаимодействия. Применение знаний, полученных при изучении курса, будет способствовать повышению эффективности как существующих производств, так и внедрению лазерных технологических процессов в еще не охваченные области промышленности. Курс включает два основных раздела: 1. Физические процессы, происходящие при взаимодействии мощного лазерного излучения с металлами, полупроводниками и диэлектриками; 2. Лазерные технологические установки и лазерные технологические процессы. В этом курсе Вы: • узнаете, что статистика Ферми-Дирака, которой подчиняются свободные электроны в металле, накладывает значительные ограничения на процесс поглощения лазерного излучения, • откроете для себя многообразие физических процессов поглощения лазерного излучения полупроводниками, • получат возможность оценить возможность реализации того или иного технологического процесса, • научитесь правильно выбирать и составлять схему установки. В рамках курса Вы познакомитесь не только с принципами работы различных технологических лазеров, но и с недостатками и преимуществами всех используемых активных элементов технологических лазеров, включая самые современные волоконные лазеры. В качестве примера использования лазеров в технологии будет подробно рассмотрена современная лазерная технология в области электроники и создания интегральных схем. Весьма интересным представляется раздел лазерной химии, основанный на резонансном возбуждении атомов и молекул лазерным излучением. Здесь Вы получите новую информацию об уникальных возможностях лазерного излучения для разделения изотопов (включая разделение изотопов в атомной промышленности), получению особо чистых веществ и синтезу новых материалов. По завершении этого курса Вы сможете: 1. объяснить, как проходит процесс взаимодействия лазерного излучения с металлами, полупроводниками и диэлектриками; 2. выбрать оптимальный тип технологического лазера для осуществления того или иного технологического процесса; 3. построить оптимальную схему лазерной технологической установки; 4. дать рекомендации для оптимизации того или иного технологического процесса; 5. дать рекомендации по внедрению лазерной технологии в различные производства. Чтобы наиболее полно овладеть материалом курса, учащиеся должны знаниями основ физики твердого тела, лазерной физики, квантовой механики и статистической физики
Лазерные технологические установки на основе CO2-лазеров
Loading...
來自 National Research Nuclear University MEPhI 的課程
Введение в лазерные технологии
4 個評分
從本節課中
Лазерные технологические установки на основе СО2-лазеров
В этом модуле Вы узнаете, как создается инверсная населенность в энергетической системе уровней СО2 молекул, чем определяется к.п.д. СО2-лазеров. Будут приведены схемы построения лазерных технологических установок на основе лазеров с диффузионным охлаждением, лазеров с конвективным охлаждением с продольной и поперечной прокачкой газовой смеси, непрерывных, импульсных и импульсно-периодических лазеров.
與講師見面
Менушенков Алексей ПавловичДоктор физико-математических наук, профессор
Кафедра физики твердого тела и наносистем
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.
