Активной средой лазеров данного типа является газ или смесь газов

В газовых лазерах рабочими микрочастицами являются атомы газа (неона Ne, ксенона Хе), положительно заряженные ионы (неона Ne²⁺, Ne³⁺, аргона Ar²⁺, криптона Kr²⁺), молекулы (азота N₂, углекислого газа CO₂, воды H₂О, синильной кислоты HCN). Достаточно часто к основному рабочему газу примешивают другой газ. Например, в гелий-неоновом лазере активными излучающими частицами являются атомы неона Ne. Примесь гелия He улучшает условия возбуждения атомов неона Ne путем резонансной передачи энергии на верхние уровни квантовой системы.

Особенностью активной среды, находящейся в газовой фазе, является ее высокая оптическая однородность, что позволяет применять большие длины резонатора и добиваться высокой направленности и монохроматичности излучения. Оптическая накачка газовой системы неэффективна поскольку газы поглощают энергию в узких спектральных полосах (линиях), а лампы излучают свет в широких частотных диапазонах. КПД оптической накачки с помощью ламп в газовых лазерах очень мал.

Поэтому лазеры данной группы накачиваются пропусканием через активную среду электрического тока, или так называемым тлеющим разрядом.

Свободные электроны, возникающие в процессе разряда, при столкновениях с микрочастицами (атомами, ионами, молекулами) газа, посредством электронного удара возбуждают их и переводят на более высокие уровни энергии. Если время жизни возбужденных микрочастиц на верхних энергетических уровнях относительно велико, то в газовой среде создается четко выраженная и устойчивая инверсия населенностей. Метод электронного удара эффективно используется для накачки газовых лазеров, действующих в непрерывном и/или импульсном режимах.

Успешно применяется и способ резонансной передачи возбуждения, при котором возбуждение микрочастиц одного вида происходит при неупругих соударениях с микрочастицами другого вида. При этом создание активной среды в газе происходит в две стадии: сначала электроны возбуждают микрочастицы вспомогательного газа, которые затем в процессе неупругих соударений с микрочастицами рабочего газа передают им избыточную энергию. Начальное накопление энергии вспомогательных микрочастиц происходит должным образом, если время жизни этих микрочастиц на высоких энергетических уровнях относительно велико.

Реже используются методы химической накачки, газодинамического расширения и т.п.

В газовых лазерах трубка с активным газом помещается в оптический резонатор, состоящий в простейшем случае из двух параллельных зеркал, одно из которых является полупрозрачным. Оптическая волна, распространяясь через активный газ, усиливается и создает лавину фотонов. Дойдя до полупрозрачного зеркала, волна частично выходит за пределы резонатора, создавая выходное лазерное излучение. Другая часть оптической энергии отражается от зеркала и порождает новую лавину фотонов. Все фотоны идентичны по частоте, фазе и направлению дальнейшего распространения.

Газовые лазеры работают в весьма широком частотном диапазоне (от ультрафиолетового до далекого инфракрасного).

Газы по сравнению с твердыми телами и жидкостями обладают значительно меньшей плотностью и более высокой однородностью, поэтому оптический луч в газах практически не искажается, не рассеивается и не теряет энергию. В результате направленность лазерного излучения в газовых лазерах резко возрастает до предела, определяемого дифракцией света. Расходимость светового луча газовых лазеров в области видимого света составляет 10^-5–10^-4 рад, а в инфракрасной области 10^-4–10^-3 рад.

В газовых лазерах стабильность частоты излучения определяется главным образом неподвижностью зеркал и других компонентов оптического резонатора, что гарантирует исключительно высокую стабильность частоты. Весьма важно, что газовые лазеры способны без принципиальных затруднений формировать оптические колебания одной определенной частоты (монохроматическое излучение).

В молекулярных лазерах энергетические уровни обусловлены колебательными уровнями молекул, т.е. относительным движением составляющих атомов, а атомные электроны остаются на низких энергетических уровнях и не возбуждаются. Характерным и наиболее распространенным представителем группы молекулярных лазеров является лазер на углекислом газе CO₂.

В первых зарубежных и отечественных устройствах СtP, например в лазерном гравировальном автомате ЛГА, использовались именно CO2-лазеры. Однако в настоящее время они применяются редко, в основном для гравирования металлов или полимеров. Причиной тому стали такие недостатки CO2-лазеров, как высокие требования к охлаждению, малая глубина резкости, большой размер пятна (более 30 мкм).

В газоразрядных CO₂-лазерах инверсия населенностей достигается возбуждением молекул электронным ударом и резонансной передачей возбуждения. Для передачи энергии возбуждения служат молекулы азота N₂, возбуждаемые, в свою очередь, электронным ударом. Обычно в условиях тлеющего разряда около 90% молекул азота переходит в возбужденное состояние, время жизни которого очень велико. Молекулярный азот хорошо аккумулирует энергию возбуждения и легко передает ее молекулам CO₂ в процессе неупругих соударений. Высокая инверсия населенностей достигается добавлением в разрядную смесь гелия, который облегчает условия возникновения разряда и способствует опустошению нижних лазерных уровней молекулы CO₂.

Тонкая структура колебательных уровней молекулы углекислого газа позволяет изменять длину волны (перестраивать лазер) дискретно в интервале длин волн от 940 до 1060 нм.

СО₂ лазер обеспечивает высокую мощность излученияв непрерывном режиме. При возбуждении молекул углекислого газа электронным разрядом такой лазер излучает мощность до 10 кВт. Данные лазеры обладают большим КПД, составляющим 15-20%, а иногда достигающим и 40%. СО₂ лазеры эффективно действуют и в импульсном режиме.

Конструкция СО₂ лазеров позволяет обеспечить высокий уровень энергетической, частотной и угловой стабильности выходного излучения. Надлежащее согласование осевой симметрии активной среды и резонатора позволяет обеспечить надежную селекцию поперечных мод и выделение низшей моды ТЕМ₀₀. Стабильность углового положения выходного излучения позволяет с высокой точностью контролировать местоположение сфокусированного пучка на поверхности формного материала. Малая апертура генерируемого пучка дает возможность применять относительно дешевые оптические элементы. Качество излучения лазера дает возможность фокусировать его пучок в пятно размером 50-100 мкм и получать интенсивность излучения в пятне до 108 Вт/см².

Одним из основных условий работы СО₂ лазера является недопустимость нагрева лазерной смеси выше температуры 600-700°К, а следовательно, необходимо ее эффективное охлаждение. Отвод тепла от рабочей смеси лазера может осуществляться либо за счет диффузии тепла к охлаждаемой стенке разрядной трубки, либо путем замены нагретой порции газа на новую. Поэтому по способу охлаждения рабочей смеси газоразрядные СО₂ лазеры принято делить на лазеры с диффузионным и конвективным охлаждением.

Принцип диффузионного охлаждения рабочей смеси газового лазера заключается в отводе тепла, выделяющегося в процессе лазерной генерации, вследствие процесса молекулярной теплопроводности газа к охлаждаемым стенкам трубки или камеры.

В лазерах с конвективным охлаждением рабочей смеси, осуществляемым путем ее быстрой прокачки через зону газового разряда, достигаются высокие уровни рабочих давлений и удельного объемного энерговклада по сравнению с соответствующими параметрами диффузионных лазеров. Это обеспечивается за счет резкого сокращения времени охлаждения смеси при быстрой прокачке по сравнению со временем диффузионного охлаждения.

Типичные схемы конвективных СО₂-лазеров с продольной и поперечной прокачкой состоят из нескольких цилиндрических (продольная прокачка) или одной прямоугольной (поперечная прокачка) разрядных камер, резонатора, теплообменников, вентилятора, газоводов и выходного окна.

Более широкое применение нашли лазеры на основе инертных газов – гелий-неоновый (He-Ne) и аргоновый (Ar).

Аргоновый лазер может испускать свет семи различных длин волн, однако более 80% подобных лазеров работают в диапазонах 488 (голубой) и 514,5 нм (зеленый). В ближней ультрафиолетовой области лазер работает на двух длинах волн – 351,1 и 363,8 нм. Обе эти области представляют большой практический интерес, так как соответствуют области максимальной чувствительности широко используемых фото и формных материалов.

По сравнению с CO2-лазером аргоновый лазер гораздо дешевле и проще в эксплуатации. В технологию Computer-to-Plate аргоновый лазер пришел из ФНА, хотя сегодня используется в них редко. В настоящие время аргоновые лазеры являются самыми мощными источниками непрерывного когерентного излучения в ультрафиолетовом и видимом диапазонах спектра.

Аргоновый лазер работает на ионных переходах, имеющих относительно высокие энергетические уровни, поэтому для накачки этого лазера требуется сильноточный разряд. Мощность излучения вначале растет приблизительно пропорционально кубу тока; в режимах же, близких к рабочим, эта зависимость носит примерно квадратичный характер. При дальнейшем увеличении плотности тока (600-1000 А/см²) наблюдается насыщение, а далее следует спад, вплоть до исчезновения генерации.

Из-за большой плотности тока в газоразрядной трубке происходит перекачка ионов Ar+ по направлению к катоду, что приводит к срыву генерации. В целях компенсации этого эффекта в конструкции газоразрядной трубки предусмотрена дополнительная трубка (обводной канал), обеспечивающая обратную циркуляцию газа (рис. 3.16). Для предотвращения возникновения разряда через эту трубку она делается длиннее основной газоразрядной трубки. Кроме того, трубку обычно помещают в постоянное магнитное поле, параллельное оси трубки. Продольное магнитное поле в значительной степени влияет на параметры плазмы; траектории электронов, движущихся поперек силовых линий поля к стенкам разрядной трубки, закручиваются. В результате частота соударений в плазме повышается, а потери на стенках уменьшаются. Напряжение горения разряда в магнитном поле снижается, и при том же разрядном токе мощность излучения увеличивается, то есть растет КПД.

Рисунок 3.16 – Схема лазера на аргоне: 1– окна под углом Брюстера;
2 – катод; 3 – система охлаждения; 4 – керамический капилляр; 5 – обмотка соленоида; 6 – анод; 7 – обводной канал

Водяное охлаждение значительно осложняет эксплуатацию аргоновых лазеров, однако оно необходимо при мощности излучения порядка 1 Вт и при потребляемой мощности около 10 кВт. Если мощность излучения составляет 100-­200 мВт, то возможно ограничиться принудительным воздушным охлаждением.

В настоящее время выпускается множество видов ионных газовых лазеров, рассчитанных на различные уровни мощности излучения. Наибольшее распространение в промышленности получили приборы, работающие в непрерывном режиме и имеющие мощность излучения от долей милливатт до 5­20 Вт при КПД 0,01-­0,1%. В отдельных образцах получена мощность излучения до сотен ватт при КПД до десятых долей процента.

Использование мощных газовых разрядов требует принятия специальных мер для предохранения от разрушения оболочек и других конструктивных элементов газоразрядных трубок. Поэтому по конструктивному выполнению ионный аргоновый лазер значительно сложнее других газовых лазеров.

Широкому распространению мощных аргоновых лазеров мешают их высокая стоимость, низкий КПД (до 10%) и большая потребляемая мощность (3-5 кВт). Тем не менее подобные лазеры используются в современном CtP-оборудовании и ФНА. Например, аргоновый лазер может устанавливаться в устройстве PlateDriver компании Esko-Graphics. Максимальное разрешение PlateDriver составляет 5080 точек/дюйм при размере точки 6,5 мкм.

Другим типом газовых лазеров, используемым в CtP-устройствах, является гелий-неоновый, который также называют атомарным. В этом лазере в качестве активного вещества выступает смесь гелия и неона. Наибольшее распространение получили гелий-неоновые лазеры с излучением красного цвета (длина волны 633 нм) и с инфракрасным излучением (на длинах волн 1150 и 3390 нм).

Вынужденное излучение создается атомами неона, а атомы гелия участвуют лишь в передаче энергии атомам неона. При возбуждении газовой смеси электрическим током (постоянным или переменным с частотой около 30 МГц) возникает тлеющий разряд, подобный разряду в рекламной неоновой лампе..

Схема уровней энергии вспомогательных и рабочих частиц гелий-неонового лазера (рис. 3.17а) характерна для газоразрядных лазеров.

В электрическом разряде часть атомов неона переходит с основного уровня E₁ на возбужденный верхний уровень энергии E₃, но в чистом неоне время жизни возбужденных микрочастиц E₃ мало, атомы быстро переходят с него на уровни E₁ и E₂, что препятствует созданию достаточно высокой инверсии населенностей для пар уровней E₂ и E₃ Примесь гелия существенно изменяет ситуацию. Первый возбужденный уровень гелия совпадает с верхним уровнем E₃ неона. Поэтому при столкновении возбужденных электронным ударом атомов гелия с невозбужденными атомами неона (с энергией E₁) происходит передача возбуждения, в результате которой атомы неона будут возбуждены, а атомы гелия вернутся в основное состояние. При достаточно большом количестве атомов гелия можно добиться преимущественного заселения уровня E₃ неона. Этому же способствует опустошение уровня E₂ неона, происходящее при соударении атомов со стенками газоразрядной трубки.

Рисунок 3.17 – Схема уровней энергии вспомогательных и рабочих частиц гелий-неонового лазера

В диапазоне видимого и инфракрасного спектров гелий-неоновый лазер может содержать большое число (~130) спектральных линий. Выделение нужной спектральной линии осуществляется подбором зеркал оптического резонатора, введением в резонатор диспергирующего или селективно поглощающего элемента, а также постоянного магнита. В гелий-неоновом лазере рабочая газовая смесь находится в газоразрядной трубке, длина которой может достигать 0,2-1,0 м.

Оптический резонатор гелий­-неонового лазера (рис. 3.18) содержит два вогнутых или плоских зеркала 1 и 2; в объеме резонатора размещена тонкая трубка 3 с внутренним диаметром около 1 мм и длиной примерно 10 см. В трубку введены газы гелия и неона при соотношении парциальных давлений Не:Ne = 5:1 и общем давлении вакуума 0,4 кПа. Тлеющий разряд в трубке обеспечивается электрическим напряжением 1­3 кВ от внешнего источника 4, приложенным между катодом 5и анодом 6 трубки; ток разряда (около 5 мА) ограничивается резистором 7 (50 кОм). На концах газоразрядной трубки под углом Брюстера θ_Бр к оси трубки в качестве окон размещены (приклеены или приварены) оптические полированные стекла 8 и 9. Угол Брюстера определяется отношением θ_Бр = аrctg n_cm, где n_cm — коэффициент преломления стекла. При таком угле отраженный свет полностью поляризован.

Рисунок 3.18 – Конструкция гелий-неонового лазера

Трубка изготавливается из высококачественного кварцевого стекла. Мощность генерации существенно зависит от диаметра трубки. С увеличением ее диаметра, с одной стороны, возрастает объем рабочей смеси, с другой – уменьшается электронная температура плазмы, что приводит к уменьшению числа электронов, способных возбуждать атомы газов.

Достоинствами гелий-неоновых лазеров являются когерентность излучения, малая потребляемая мощность (8-10 Вт) и относительно небольшие размеры. Основные недостатки – невысокий КПД (до 10%) и низкая выходная мощность, не превышающая 100 мВт. При использовании для возбуждения импульсного напряжения большой амплитуды лазер работает в импульсном режиме.

Гелий-неоновым лазером с длиной волны 633 нм оснащаются, например, плоскостные CtP-устройства TigerCat компании ECRM. Максимальное разрешение записи устройств TigerCat – 3556 точек/дюйм, при размере точки 14 мкм.

Использование мощных газовых коротковолновых лазеров в ФНА позволяет получать растровую точку с более стабильной характеристикой — «жесткую» точку. У таких точек степень почернения на краях и в центре различаются на очень малую величину. Примером таких источников являются гелий-неоновые (He-Ne) и аргоновые (Аг) лазеры с длиной волны соответственно 650 и 488 нм.

Использование газовых коротковолновых лазеров наряду с положительными имеет и отрицательные стороны. Например, значительно усложняется конструкция ФНА, поскольку необходима специальная система охлаждения, контроля, управления работой и охлаждения лазерного устройства. Это, в свою очередь, резко увеличивает цену ФНА.

Несмотря на неплохие характеристики газовых лазеров, в последнее время производители оборудования CtP, как правило, отдают предпочтение более простым и дешевым твердотельным и полупроводниковым лазерам.

Твердотельные лазеры

Твердотельные лазеры отличаются от газовых принципиально только характером накачки. Для создания когерентного излучения используется оптическая накачка.

Накачка производится обычно через охлаждающую рабочее вещество жидкость и осуществляется с помощью излучения газоразрядных ламп, светодиодов, лазеров и т.п. Наиболее широко применяют ламповую накачку.

Обычно в конструкции твердотельного лазера (рис. 3.19) используются активный (лазерный) стержень 1 и лампа накачки 2одинаковой («карандашной») конструкции. Зеркала 3и 4 оптического резонатора разделены управляющим оптическим затвором 5. Для эффективного применения энергии оптической накачки стержень 1 и лампа 2 помещены в замкнутый рефлектор 6 эллиптической формы. При этом элементы 1 и 2 размещаются в фокусах эллиптического сечения рефлектора, что позволяет сконцентрировать энергию оптической накачки в объеме активной среды. Рефлектор 6 заполнен охлаждающей жидкостью, которая периодически прокачивается через лазер.

В качестве активной среды используется кристаллический или аморфный диэлектрик, имеющий центры люминесценции.

Рисунок. 3.19 – Твердотельный лазер непрерывного действия (вариант конструкции)

Среди лазерных материалов наиболее представительной является группа ионных кристаллов с примесями. Кристаллы неорганических соединений фторидов (CaF₂, LaF₃, LiYF₄), оксидов (Al₂O₃) и сложных соединений (CaWO₄, Y₃Al₁₅O₁₂, Ca₅(PO₄)₃F) содержат в кристаллической решетке ионы активных примесей, редкоземельных (самария Sm²⁺, диспрозия Dy²⁺, тулия Tw²⁺, Tw³⁺, празеодима Pr³⁺, неодима Nd³⁺, эрбия Er³⁺, гольмия Нo³⁺), переходных (хрома Cr³⁺, никеля Ni²⁺, кобальта Со²⁺, ванадия V²⁺) элементов или ионов урана U³⁺. Концентрация активных примесей в кристаллах составляет от 0,05 до нескольких процентов (по массе). Генерация возбуждается методом оптической накачки, причем энергия в основном поглощается примесными ионами. Рассматриваемые лазерные материалы отличаются высокой концентрацией активных частиц (10¹⁹­-10²¹ см^-3), весьма небольшой шириной линии генерации (0,001-­0,1 нм) и малой угловой расходимостью генерируемого излучения.

К недостаткам этих материалов следует отнести низкий (1­5%) коэффициент преобразования электрической энергии в энергию лазерного излучения в системе «лампа накачки—кристалл», сложность изготовления лазерных стержней больших размеров и необходимой их оптической однородности.

Лазерные кристаллы с дозированными примесями выращиваются, как правило, направленной кристаллизацией расплава в специальных (кристаллизационных) аппаратах, обеспечивающих высокую стабильность температуры расплава и скорости роста кристалла. Из выращенных кристаллов вырезаются цилиндрические стержни длиной до 250 мм и диаметром 2-20 мм. Торцы стержней шлифуются, а затем полируются. В большинстве случаев стержни изготавливаются с плоскими торцами, параллельными друг другу, с точностью 3-5", и строго перпендикулярными геометрической оси стержня. Возможно применение торцов сферической или другой (нестандартной) конфигурации.

Поиск по сайту: