Мощные электроразрядные лазеры на углекислом газе

Размещено на http://allbest.ru

МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

МОЩНЫЕ ЭЛЕКТРОЗАРЯДНЫЕ ЛАЗЕРЫ НА УГЛЕКИСЛОМ ГАЗЕ

Ю.П. Райзер

Долгопрудный Московской обл.

ВВЕДЕНИЕ

Из всех существующих лазеров длительного действия наиболее мощными, продвинутыми в практическом отношении и распространенными являются электроразрядные газовые лазеры на СО2. За 30 лет, прошедших со времени создания, их мощность в непрерывном режиме выросла от милливатта до многих киловатт. Коммерческие лазеры с мощностями до нескольких киловатт выпускаются в ряде развитых стран, хотя установки с мощностью 10 кВт (и выше) немногочисленны из-за сложности и дороговизны. СО2-лазеры применяют для резки металлов, пластмассы, древесины и др., сварки металлов, пробивания множественных отверстий, термического упрочнения быстро изнашивающихся деталей.

Для создания активной среды (как говорят, "накачки") СО2-лазеров чаще всего используют тлеющий разряд постоянного тока. В последнее время все шире применяют высокочастотный разряд. Мы рассмотрим общие принципы работы электроразрядных СО2-лазеров, проблемах, которые при этом возникают, и некоторых конструкциях, основанных на применении разряда постоянного тока.

В самом начале 70-х годов в ходе разработки мощных СО2-лазеров выяснилось, что разряду свойственны неизведанные доселе черты и губительные для лазеров неустойчивости. Они ставят почти непреодолимые препятствия попыткам заполнить плазмой большой объем при повышенном давлении, что как раз и требуется для получения больших лазерных мощностей. Пожалуй, ни одна из проблем прикладного характера не послужила в последние десятилетия прогрессу науки об электрическом разряде в газах так, как задача создания мощных СО2-лазеров непрерывного действия.

ПРИНЦИП РАБОТЫ СО2-ЛАЗЕРА

Активной средой почти любого лазера служит вещество, в определенных молекулах или атомах которого в определенной паре уровней можно создать инверсную заселенность. Это означает, что количество молекул, находящихся в верхнем квантовом состоянии, соответствующем радиационному лазерному переходу, превышает количество молекул, находящихся в нижнем. В отличие от обычной ситуации луч света, проходя через подобную среду, не поглощается, а усиливается, что открывает возможность генерации излучения.

Инверсия в СО2-лазере создается при помощи электрического разряда, каким механизмом будет сказано чуть ниже. Чтобы луч усилился в высокой степени, он должен пройти в активной среде большой путь. Для этого ее помещают в резонатор. Самый простой резонатор - это два плоских зеркала, от которых случайно зарожденный луч отражается многократно. Одно из зеркал полностью отражающее ("глухое"), другое полупрозрачное, чтобы выпускать излучение. Эти общие принципы почти в первозданном виде воплощены в простейшей конструкции СО2-лазера для небольших мощностей, примерно до 100 Вт.

В СО2-лазере используется переход между двумя колебательными (точнее, колебательно-вращательными) уровнями основного электронного состояния молекулы СО2 . Длина волны излучения l = 10,6 мкм принадлежит далекой инфракрасной области. Линейная молекула СО2 может совершать колебания трех типов. Частота n1 соответствует симметричным колебаниям, n2 - деформационным, n3 - антисимметричным. Лазерный квант излучается при переходе из состояния 001 в 100; цифры означают квантовые числа колебаний n1 , n2 , n3 . Возможный также переход 001 020 с l = 9,4 мкм весьма слаб. Энергия лазерного кванта составляет 41% энергии верхнего уровня 001. Это теоретический предел для КПД лазера. Если бы вся энергия при накачке шла исключительно на возбуждение уровня 001 СО2 и каждое возбуждение сопровождалось радиационным переходом 001 100, энергия лазерного излучения составляла бы 41% затрат. Реальный КПД всегда значительно ниже.

Верхний лазерный уровень в СО2-лазере возбуждается ударами электронов разрядной плазмы. Тлеющий разряд является одним из двух наиболее распространенных видов газового разряда постоянного тока (другой разряд - дуговой). Тлеющий разряд видели все - вспомните рекламные трубки на улицах. Плазменный столб между электродами может быть сделан любой длины, лишь бы было приложено достаточно напряжения. Столб может как угодно изгибаться, повторяя изгибы трубки. В СО2-лазерах применяют средние давления газа, р © 10-50 Торр (1 Торр = 1 мм рт.ст.). Слабоионизованная плазма тлеющего разряда со степенью ионизации 10- 8-10- 7 сильно неравновесна. Температура электронного газа Те ~ 104 К гораздо выше температуры газа тяжелых частиц Т, которая может не на много превышать комнатную (разрядной трубки нередко можно коснуться рукой). Степень ионизации на несколько порядков меньше термодинамически равновесной, соответствующей Те.

Целесообразность использования тлеющего разряда для накачки СО2-лазера состоит в том, что в молекулярных газах подавляющая часть выделяющейся энергии тока затрачивается на возбуждение молекулярных колебаний. Электрическое поле, поддерживающее плазму, сообщает энергию электронам - носителям тока, а те возбуждают колебания. Особенно эффективен в этом отношении азот, где до 95% энергии переходит первоначально в колебания молекул. Вместе с тем дальнейшее превращение этой энергии в энергию их поступательного движения ("в тепло") происходит в азоте крайне медленно. Поскольку энергия первого колебательного уровня молекулы N2 очень близка к энергии уровня 001 СО2, открывается возможность быстрой резонансной передачи колебательного кванта от к СО2 с прямым заселением верхнего лазерного уровня. По этой причине в рабочий газ непременно добавляют азот, часто даже в большем количестве, чем сам СО2.

Сильной инверсии способствует не только интенсивное заселение верхнего уровня 001, но и быстрое расселение нижнего уровня 100, на который все время поступают молекулы, испустившие лазерный квант. Но наряду со столкновениями, дезактивирующими уровень 100, идет и его прямое возбуждение. В результате заселенность уровня 100 оказывается не очень далекой от равновесной, соответствующей поступательной температуре газа Т. Значит, для эффективной лазерной генерации температура газа должна быть достаточно низкой. Практически недопустим нагрев газа более чем на 200?С.

Между тем в рабочем газе выделяется очень много тепла. Не вся энергия электронов затрачивается на возбуждение верхнего лазерного уровня СО2 . Не все попавшие на этот уровень молекулы излучают лазерный квант. Если, как это обычно и бывает, КПД лазера составляет h ~ 10%, то 90% джоулева тепла тока идет в конечном счете на нагрев газа. Таким образом, обеспечение достаточно быстрого теплоотвода является необходимым условием работы СО2-лазера. В этом отношении очень полезно присутствие гелия в рабочем газе. Легкий гелий, обладая высокой теплопроводностью, ускоряет вывод тепла из разряда. Кроме того, атомы гелия способствуют дезактивации нижнего лазерного уровня. Обычно подбирают оптимальный для каждой конструкции состав газа, например в пропорциях СО2 : N2 : Не = 1 : 1 : 8 или 1 : 6 : 12 по числам молекул. Рабочая смесь со временем портится (разлагается СО2 , образуются вредные в некоторых отношениях компоненты: СО, N2О и др.), так что смесь приходится медленно обновлять.

Из сказанного выше ясно, почему слабоионизированная и потому сильнонеравновесная плазма тлеющего (так же как и высокочастотного) разряда хороша для СО2-лазера, а плазма обычного дугового разряда не годится. В дуге атмосферного давления из-за относительно высокой степени ионизации (10- 3-10- 2) плазма равновесна и температура газа высока (Т © 7000-10 000 К).

ЛАЗЕРЫ С ДИФФУЗИОННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

В СО2-лазерах умеренной мощности, примерно до 1 кВт, часто применяется классическая схема тлеющего разряда в стеклянной трубке с практически неподвижным газом. Электроды делают кольцевыми, не загораживающими дороги излучению. Джоулево тепло выносится теплопроводностью к стенкам трубки, это называют диффузионным охлаждением. Глухое зеркало делают металлическим, полупрозрачное - из NaCl, KCl, ZnSe, AsGa.

Недопустимость нагрева газа выше DТmax 200 K при более или менее фиксированном КПД ограничивает мощность излучения, которую можно получить с единицы длины трубки независимо от ее радиуса R. В самом деле, пусть i - разрядный ток, который течет вдоль трубки; Е - продольное электрическое поле, l - коэффициент теплопроводности газа. Выделяющаяся в единице длины электрическая мощность iE выносится к поверхности 2pR i 1 тепловым потоком плотности - l(dT / dr)r = R © lDТ / R. Отсюда iE ~ 2plDТ. Более точно, с учетом радиального распределения температуры,

iE = (2,8)2plDТ

лазер газовый плазма ионизация

Практически в 1 м нельзя вкладывать более iE 1 кВт/м. Следовательно, от 1 м трубки нельзя получить более 100 Вт излучения. Для увеличения мощности трубчатых лазеров с диффузионным охлаждением не остается ничего, кроме как наращивать длину трубок. Чтобы не выходить за разумные габариты (скажем, 2 м), в случае значительных мощностей несколько параллельных трубок включают последовательно в резонатор, ставя отражатели в местах поворотов излучения. Электрическое питание подают раздельно в не слишком длинные (метровые) секции, чтобы не требовалось большого напряжения.

Типичные параметры разряда в трубчатых лазерах: смесь СО2 : N2 : Не = 1 : 1 : 8, Е / p 2-4 В/(см " Торр), плотность электронов в плазме ne © 1010 см- 3, плотность тока j = i / pR 2 © 10 мА/см2, объемный энерговклад jЕ ~ 0,03р Вт/см3 ; при типичном р 15 Торр jЕ 0,5 Вт/см3. Описанные лазеры надежны в работе, хорошо себя зарекомендовали и в тех или других вариантах выпускаются промышленностью на мощности в десятки, сотни ватт и даже киловатт.

БЫСТРОПРОТОЧНЫЕ ЛАЗЕРЫ

Альтернативой диффузионному охлаждению служит конвективное. Рабочий газ с большой скоростью продувают через область разряда, и джоулево тепло выносится потоком. Применение быстрой прокачки позволяет поднять плотности энерговыделения и энергосъема излучением. На этом пути достигнуты большие успехи и созданы многокиловаттные лазеры. Сопоставим эффективности двух способов охлаждения. Если длина области разряда вдоль газового потока L, то при скорости u время пребывания газа в разряде t = L / u. Единица объема газа приобретает энергию

jEt = rcpDT,

где r - плотность, cp - удельная теплоемкость при постоянном давлении (течение обычно дозвуковое, так что давление в системе меняется несильно). Теплопроводность выводит тепло из трубки радиуса R = 3 см при р = 15 Торр за t © 4 " 10- 2 с (c © 40 см2/с) - на порядок медленнее.

Недопустимость сильного нагрева накладывает ограничение на удельный энерговклад в разряд q: Дж/г.

В то же время

q = PE / Q,

где PE - вкладываемая в плазму мощность, Q = ruS - массовый расход газа через поперечное сечение S разрядной камеры. Чтобы получать Р = 10 кВт излучения при КПД h © 10%, в разряд нужно вкладывать РЕ = 100 кВт. Согласно приведенному выше уравннию, Q > 130 г/с, то есть на час работы требуется тонна газа! Поэтому лазерную смесь прокачивают по замкнутому контуру. Газовый тракт непременно включает теплообменник, где от газа отбирается тепло, приобретенное в разряде. Смесь в контуре медленно обновляют. Часто разрядную камеру делают в виде широкого плоского канала. Оказалось целесообразным использовать трубчатые конструкции с быстрой осевой прокачкой газа вдоль системы недлинных труб, последовательно включенных в резонатор и параллельно - в газовый тракт, чтобы не было большого гидравлического сопротивления.

В силу ограничения наращивать мощность лазера P = hjESL можно только увеличением давления и объема, практически сечения канала S. Чрезмерное увеличение длины L вдоль потока требует и наращивания скорости, иначе газ слишком долго будет подвергаться нагреву. Но технически очень трудно организовать большой расход со скоростью, существенно превышающей 100-150 м/c.

При заданном времени пролета, скажем t = 3 " 10- 3 с (L = 30 см, u = 100 м/c), предельному энерговкладу отвечают слабо зависящие от давления максимально допустимые плотности электронов и тока в плазме ne max © 3 " 1010 см- 3, jmax © 20 мА/см2, что при значении E / p © 8 В/(см " Торр), характерном для разряда в потоке, соответствует плотности энерговклада (jE)max © 0,16р Вт/cм3.

НЕУСТОЙЧИВОСТЬ РАЗРЯДА И БОРЬБА С НЕЙ

Приведенные допустимые величины ne, j, jE не слишком велики, в небольших лабораторных установках и при пониженных давлениях они легко реализуются. Но достичь их, скажем, в канале длиной 30 см, высотой 6 см и шириной 110 см, при давлении р = 30 Торр, нужном для вклада 100 кВт и снятия 10 кВт излучения, оказалось неимоверно трудным и без специальных ухищрений просто невозможным. При увеличении размеров, давления, тока и мощности разряд теряет устойчивость еще задолго до достижения температурного предела. Вместо того чтобы однородно заполнять весь объем, как это бывает при небольших давлениях и объемах, разряд стягивается в один или несколько сильноионизированных горячих токовых шнуров, а во всем остальном объеме гаснет. Лазерной генерации при этом, естественно, нет. Описанное явление называется контракцией, шнурованием, а в американской литературе arcing (дугообразование).

Контракция вызывается развитием так называемой ионизационно-перегревной неустойчивости. Природа ее такова. Стационарное состояние плазмы обусловлено компенсацией потерь электронов их рождением. Электроны гибнут вследствие прилипания к молекулам, к тому расположенным (СО2 активно участвует в этом процессе), рекомбинации, при низких давлениях диффузии к стенкам; рождаются электроны в результате ионизации молекул ударами достаточно энергичных электронов. Число последних чрезвычайно резко зависит от средней энергии или температуры Te электронного газа, которая определяется отношением электрического поля E к плотности молекул газа N. В самом деле, электрон приобретает энергию ускоряясь в поле, а теряет ее при столкновениях с молекулами, то есть тем скорее, чем больше N. Отсюда и получается, что, грубо говоря, Te ~ E / N и скорость ионизации очень резко возрастает с ростом E / N. В то же время скорости любых потерь электронов от E / N зависят гораздо слабее. Поэтому условие компенсации рождения и гибели электронов довольно жестко фиксирует отношение E / N. Заметим, что, если газ холодный, плотность молекул практически однозначно характеризуется давлением, так как p = NkT ; при 20?С давлению 1 Торр соответствует N = 3,3 " 1016 см- 3.

Теперь представим себе разряд между большими электродами, и пусть в стационарном состоянии плазма заполняет весь объем между ними. Пусть по случайной причине в тонком столбе между какими-то противоположными точками на электродах немного выросла плотность электронов ne.

В этом столбе станут больше проводимость, плотности тока j и энерговыделения jE. В результате дополнительного нагрева вырастет газовая температура T. Но давление быстро, со скоростью звука, выравнивается поперек столба, и потому плотность газа в нем N ~ p / T станет меньше, а отношение E / N - выше. При этом в гораздо большей степени вырастет чувствительная к E / N скорость ионизации и наступит дисбаланс между рождением и потерями электронов. Величины j, jE, T вырастут еще больше и т.д.

Разгон остановится, лишь когда образовавшийся сильноионизированный шнур возьмет на себя весь разрядный ток. Механизм неустойчивости отражается замкнутой цепочкой причинных связей, которую можно начать с любого звена.

Для подавления или ослабления действия неустойчивости разработаны различные приемы, например: разделение (секционирование) электрода на изолированные друг от друга элементы с индивидуальным питанием и включение в цепь каждого элемента индивидуального балластного сопротивления. Когда от какого-то элемента возникает шнур, в нем резко возрастает ток, напряжение из-за наличия сопротивления падает. Но на плазме, питаемой от других элементов, это отражается в меньшей степени.

Стабилизации разряда способствуют выравнивание поля скоростей потока, сведение к минимуму всех возможных неоднородностей и вредных продуктов распада смеси, провоцирующих флуктуации, от которых начинается неустойчивость.

Благоприятное действие оказывает создание интенсивной мелкомасштабной турбулентности, способствующей рассасыванию зарождающихся возмущений. Надо сказать, что многое здесь решается на уровне интуитивного экспериментального и инженерного поиска и зависит от мастерства создателей установки. Самым действенным методом избавления от неустойчивости (впрочем, также частичного) является применение несамостоятельного разряда, в котором разделены функции ионизации газа и вклада электрической мощности для накачки лазера. Тем самым разрывается цепочка связей (4) в самом опасном, последнем звене: повышение E / N мало влияет на ne. Наибольший эффект достигнут применением постороннего пучка киловольтных электронов для ионизации газа в объеме разрядной камеры. Однако этот метод обладает столь серьезными другими недостатками (быстро разрушаются мембраны, которые отделяют ускоритель электронов от разрядной камеры, возникает опасное для персонала рентгеновское излучение и др.), что массового распространения не получил.

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ МОЩНОСТИ СО₂ ЛАЗЕРОВ

Рассмотрим идеальный случай, когда мощность СО₂ лазера определяется соотношением:

(2.59)

Здесь - квантовый к.п.д. молекулы СО₂ , - концентрация этих молекул в разряде, Е₀₀₁ - энергия верхнего лазерного уровня, V - объем активной среды, - время опустошения нижнего лазерного уровня.

Для конкретной лазерной системы соотношение (2.59) определяет ее предельную выходную мощность, превзойти которую принципиально невозможно.

Действительно, квантовый к.п.д. = Е_изл/ Е₀₀₁ определяет предельно возможное отношение излучательной энергии Е_изл к энергии верхнего лазерного уровня, иначе, к энергии накачки, и для данной молекулы это есть постоянная величина. Для молекулы СО₂ = 0,41.

Величина Е₀₀₁ для молекулы СО₂равна 0,3 эВ. В соотношении (2.59) полагают, что вся энергия накачки расходуется только на возбуждение верхнего лазерного уровня.

Варьировать можно лишь тремя параметрами: концентрацией молекул СО₂ , объемом разрядной области V и величиной , которая напрямую зависит от интенсивности отвода тепла, иначе говоря, от интенсивности охлаждения газа.

В непрерывном лазере заменяют на время отвода тепла, выделяемого в зоне разряда, во внешнюю среду.

Рассмотрим работу лазера в диффузионном режиме. Экспериментальные данные показывают, что минимальное время отвода тепла

= R/u,

где R - радиус трубки, u - скорость дрейфа частиц к стенкам, равно ~ 5.10-² с. Подставив это значение вместе с константами и Е₀₀₁ в (2.59), получим:

(2.60)

Далее, V = R²L, где L - длина разрядного промежутка. Как показывает опыт, увеличивать радиус трубки свыше определенного предела невозможно, поскольку это ведет к увеличению времени и резкому ухудшению вывода тепла, то есть к наступлению перегрева газа в разрядном промежутке. Практика показывает, что предельный радиус разрядной трубки не может превышать 1,5 см. С учетом сказанного, увеличивать объем разрядной области в трубке можно только за счет увеличения длины, но не поперечного сечения. Тогда предельная мощность диффузионного лазера на единицу длины примерно равна:

Но у реальных лазеров в лучшем случае достигают примерно половину этой величины. Таким образом, единственный путь повышения мощности диффузного лазера - увеличивать его длину. Например, для получения мощности излучения порядка 1 кВт длину разрядной части лазера необходимо сделать не менее 30 метров. В начальный период создания СО₂ лазеров было предложено «складывать» длинные трубки в виде колен, как схематично показано на рис. 2.14.

Связь между коленами осуществляется поворотными зеркалами или призмами. Такой вариант сложения длинных трубок применяется и в наши дни в некоторых конструкциях непрерывных СО₂ лазеров малой и средней мощности, выпускаемых промышленностью. Например, лазер мощностью 100 Вт под названием «Киль» имеет 8 колен, каждое из которых представляет собой трубку длиной примерно 40 см. Отдельная трубка снабжена электродами и питается от своего источника электроэнергии, то есть источник питания разбивается на отдельные секции по числу «колен».

ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ

Существует несколько смесей газов, которые могут испускать вынужденное излучение. Один из газов - двуокись углерода - применяется в N2 - СО_2- и СО - лазерах мощностью >15 кВт. с поперечной накачкой электрическим разрядом. А также газодинамические лазеры с тепловой накачкой, у которых основная рабочая смесь: N2+CO2+He или N2+CO2+H2O. Рассмотрим некоторые возможности применения таких лазеров промышленных установках.

Известна термическая обработка материалов и деталей обычными средствами. Предварительный подогрев с использованием газовых лазеров позволяет обрабатывать материалы более высокой твердости. Прямолинейные участки многокомпонентных деталей легко свариваютсягазовыми лазерами, в то время как непрямолинейные участки свариваются с использованием специальных поворотных зеркальных систем. Производитсялазерная закалка и заточка деталей. Применяются подобные лазеры в спектроскопии, лазерной химии, медицине.

Установки на основе СО₂ - лазеров мощностью 500 Вт успешно применяются для лазерного резания по шаблонам и раскройки сталей или пластмасс, пробивки отверстий, если их диаметр не слишком мал. В общем случае толщина разрезаемого материала зависит от мощности излучения. В настоящее время стоимость СО2 - лазеров не особенно высока. Стоимость газов, применяемых в СО2 - лазерах сопоставима со стоимостью энергии, потребляемой станками, предназначенными для пробивания отверстий. Характеристики СО2 - лазеров стабильны. Лазеры легки в управлении и безопасны при соблюдении правил эксплуатации.

КОЛЕБАНИЯ МОЛЕКУЛЫ СО2

Из газовых лазеров для обработки материалов наиболее приемлемым оказались лазеры на углекислом газе, обладающие достаточными мощностями и работающие на различных режимах излучения на длине волны 10,6 мкм. В газовых лазерах увеличение снимаемой мощности происходит за счет добавления к рабочему газу СО₂,молекулярного азота и гелия. Эта смесь газов подается в газоразрядную полость. При приложении электрического поля молекулы СО₂ и N₂возбуждаются и создаются их вынужденные колебания. Молекулы N₂, сталкиваясь с молекулами СО₂, повышают их энергетический уровень за счет передачи своей энергии. После чего молекулы СО₂, переходя на более низкий энергетический уровень, испускают лазерное излучение. При этом молекулы He (благодаря высокой подвижности атомов) служат для охлаждения рабочей смеси, способствуют расселению нижнего энергетического уровня и стабилизируют разряд. Для поддержания работоспособности газовой смеси в процессе работы в конструкциях лазеров предусматривается подача свежих газов в газоразрядную полость излучателя.

В СО₂ лазерах с медленной прокачкой газовой смеси отвод тепла из зоны разряда осуществляется охлаждающей жидкостью (водой) через стенки газоразрядной полости (диффузионное охлаждение). Газоразрядные лазеры с медленной прокачкой газовой смеси -- лазеры первого поколения.

Требования производства привели к созданию более мощных технологических СО₂ лазеров. Их создание оказалось возможным за счет применения другого способа отвода тепла из зоны разряда. В этом случае отвод тепла происходит заменой нагретой части смеси на свежую газовую смесь (конвективное охлаждение).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

К настоящему времени проблема создания коммерческих СО2-лазеров с мощностью примерно до 10 кВт в известной мере решена. В общих чертах завершены и необходимые для того исследования новых, практически неизвестных до недавнего времени свойств тлеющего разряда, в особенности эффектов его неустойчивости.

Однако создание установок с мощностью 10 кВт и выше без применения крайне нежелательного метода ионизации газа электронным пучком все еще представляет проблему. Надо сказать, что тенденция развития этой области претерпела видимые изменения. Если 10 лет назад в основном стремились к достижению возможно больших мощностей, то теперь больше уделяется внимания не мощности, а качеству луча.

Доказано практикой, что для высококачественных резки и сварки первостепенное значение имеет расходимость лазерного луча, от которой зависит возможность остро его сфокусировать. Даже киловаттный одномодовый луч с дифракционной расходимостью часто дает лучшие результаты, чем луч с мощностью в несколько киловатт, но многомодовый, плохо фокусируемый. Погоня за количеством уступает место погоне за качеством, что обычно и свойственно высоким технологиям.

Размещено на Allbest.ru