Mediul activ de lasere de acest tip este un gaz sau un amestec de gaze.
Laserele de gaz microparticule de operare sunt atomi de gaz (NE NE, Xe), ionii încărcați pozitiv (Ne Ne 2+. 3+ Ne. Ar 2+ argon. Kripton Kr 2+), molecula (azot N2. CO2 Dioxid de carbon. Apa H2O, acid cianhidric acid cianhidric). Destul de des, un alt gaz este amestecat cu gazul de lucru principal. De exemplu, într-un laser cu heliu-neon, atomii neutrii Neutroni activi sunt particule active radiative. heliu El îmbunătățește condițiile de amestec neon excitație atomii Ne prin transfer de energie de rezonanță la nivelele superioare ale sistemului cuantic.
O caracteristică a mediului activ în faza gazoasă este omogenitatea sa optică ridicată, ceea ce face posibilă utilizarea lungimilor lungi de rezonator și atingerea unei directivități ridicate și a unei radiații monocromatice. Pomparea optică a sistemului de gaze este ineficientă deoarece gazele absorb energie în benzi spectrale înguste (linii) și lămpile emite lumină în intervale de frecvență largă. Eficiența pompelor optice prin intermediul lămpilor în laserele cu gaz este foarte mică.
Prin urmare, laserele din acest grup sunt pompate prin trecerea unui curent electric prin intermediul mediului activ sau prin așa-numita descărcare de glow.
electroni liberi care apar în timpul descărcării, coliziunile cu microparticule (atomi, ioni, molecule) de gaz prin impact electronic le excita și mutat la niveluri mai mari de energie. În cazul în care durata de viață a microparticulelor excitat în nivelul superior de energie este relativ mare, mediul gazos este creat bine definit și inversiune populației stabile. Metoda de impact cu electroni este utilizată în mod eficient pentru a pompa laserele de gaz care funcționează în moduri continuu și / sau pulsatoriu.
Metoda de transfer de excitație rezonantă este, de asemenea, utilizată cu succes. la care excitarea microparticulelor din aceeași specie are loc în timpul coliziunilor inelastice cu microparticule de alt tip. Astfel crearea mediul activ al gazului are loc în două etape: în primul rând, electronii excita microparticule un gaz auxiliar, care apoi sunt în proces de ciocniri inelastice cu microparticule de gaze de lucru excesul de energie este transmisă acestora. acumularea inițială de microparticule de energie auxiliară este în mod corespunzător în cazul în care durata de viață a microparticulelor la niveluri ridicate de putere relativ mare.
Metodele de pompare chimică, expansiune dinamică gazoasă etc. sunt utilizate mai rar.
În laserele cu gaz, un tub cu gaz activ este plasat într-un rezonator optic constând în cel mai simplu caz de două oglinzi paralele, dintre care unul este semidransparent. Valul optic, propagat prin gazul activ, amplifică și creează o avalanșă de fotoni. După ce a ajuns la oglinda semi-transparentă, valul părăsi parțial rezonatorul, generând radiații laser de ieșire. O altă parte a energiei optice se reflectă din oglindă și generează o nouă avalanșă de fotoni. Toți fotonii sunt identici în frecvență, fază și direcție de propagare ulterioară.
Laserele cu gaz funcționează într-un domeniu de frecvențe foarte larg (de la ultra-violet la infraroșu mult).
Gaze comparativ cu lichide sau solide au o densitate considerabil mai mică și o omogenitate ridicată, astfel încât fasciculul optic din gazele aproape nu distorsionate, nu este împrăștiată și nu pierde energie. Ca rezultat, directivitatea radiației laser în laserele de gaz crește brusc până la limita determinată de difracția luminii. Divergența fasciculului luminos de lasere cu gaz în regiunea de lumină vizibilă este de 10 -5-10 -4 rad, iar în domeniul infraroșu 10 -3 -10 -4 rad.
În laserele cu gaz, stabilitatea frecvenței radiațiilor este determinată, în principal, de imobilitatea oglinzilor și a altor componente ale rezonatorului optic, care garantează o stabilitate excepțional de înaltă a frecvenței. Este foarte important ca laserele cu gaze să poată, fără dificultăți fundamentale, să formeze oscilații optice ale unei anumite frecvențe (radiații monocromatice).
În laserele moleculare, nivelurile de energie se datorează nivelurilor vibraționale ale moleculelor, adică mișcarea relativă a atomilor constituenți, iar electronii atomici rămân la niveluri scăzute de energie și nu sunt excitați. Un tipic și cel mai comun reprezentant al unui grup de lasere moleculare este un laser CO2.
În primele aparate străine și interne ale CtP, de exemplu, în mașina de gravat cu laser LGA, s-au utilizat laserele cu CO2. Cu toate acestea, în prezent sunt rareori utilizate, în principal pentru gravarea metalelor sau a polimerilor. Motivul pentru aceasta au fost dezavantajele laser-urilor de CO2, cum ar fi cerințele ridicate de răcire, adâncimea mică a câmpului, dimensiunea mare a spotului (mai mare de 30 microni).
La inversarea populației cu gaze cu descărcare în gaze, inversarea populației se realizează prin excitarea moleculelor prin impactul cu electroni și prin transferul de rezonanță al excitației. N2 molecule sunt utilizate pentru a transfera energia de excitație. excitat, la rândul său, de șocul electronic. În mod obișnuit, în condițiile unei descărcări strălucitoare, aproximativ 90% din moleculele de azot intră într-o stare excitată, durata de viață a căreia este foarte mare. Azotul de azot moleculară acumulează energia de excitație și îl transferă cu ușurință în moleculele de CO2 în procesul coliziunilor inelastice. O inversiune ridicată a populației este obținută prin adăugarea de heliu la amestecul de descărcare, ceea ce facilitează condițiile de descărcare și promovează golirea nivelurilor laser inferioare ale moleculei de CO2.
Structura fină a nivelelor vibraționale ale moleculei de dioxid de carbon permite modificarea lungimii de undă (reconstrucția laserului) discret în intervalul lungimii de undă de la 940 la 1060 nm.
СО2лазер asigură o putere mare de radiație într-un mod continuu. Atunci când moleculele de dioxid de carbon sunt excitate de o descărcare electronică, un astfel de laser emite o putere de până la 10 kW. Aceste lasere au o eficiență ridicată de 15-20%, uneori chiar de 40%. Laserele CO2 funcționează eficient în modul pulsatoriu.
Designul de lasere CO2 face posibilă asigurarea unui nivel ridicat de energie, frecvență și stabilitate unghiulară a radiației de ieșire. Adaptarea corespunzătoare a simetriei axiale a mediului activ și a rezonatorului face posibilă alegerea fiabilă a modurilor transversale și eliberarea modului inferior TEM00. Stabilitatea poziției unghiulare a radiației de ieșire face posibilă controlul precis al poziției fasciculului focalizat pe suprafața materialului de formă. O mică deschidere a fasciculului generat face posibilă utilizarea unor elemente optice relativ ieftine. Calitatea radiației laser face posibilă concentrarea fasciculului său într-o dimensiune de 50-100 μm și obținerea unei intensități a radiației în loc până la 108 W / cm2.
Una dintre condițiile principale pentru funcționarea laserului CO2 este inadmisibilitatea încălzirii amestecului de laser peste temperatura de 600-700 ° K și, prin urmare, este necesară o răcire eficientă. Îndepărtarea căldurii din amestecul de lucru al laserului poate fi efectuată fie prin difuzarea căldurii pe peretele răcit al tubului de evacuare, fie prin înlocuirea porțiunii încălzite a gazului cu una nouă. Prin urmare, în conformitate cu metoda de răcire a amestecului de lucru, laserele cu CO2 de descărcare de gaze sunt de obicei împărțite în lasere cu difuzie și răcire prin convecție.
Principiul de răcire prin difuzie a unui amestec de lucru cu gaz laser constă în îndepărtarea căldurii generate în timpul generării de laser, ca rezultat al conductivității termice moleculare a gazului la pereții răciți ai tubului sau camerei.
In lasere cu un amestec răcit cu convecție, realizată prin pomparea sa rapidă prin zona de evacuare a gazului atinge un nivel ridicat al presiunii de lucru și un volum de un aport de energie în comparație cu parametrii corespunzători ai lasere de difuzie. Acest lucru este asigurat de o reducere bruscă a timpului de răcire a amestecului în timpul pompării rapide, comparativ cu timpul de răcire cu difuzie.
scheme tipice lasere convectivi CO2 cu pompare longitudinală și transversală constau din mai multe cilindrice (pompare longitudinală) sau dreptunghiulară (pompare transversală) a camerelor de refulare, rezonatorul, schimbătoare de căldură, ventilatoare, gazovodov și fereastra de ieșire.
Laserele bazate pe gaze inerte - heliu-neon (He-Ne) și argon (Ar) - au fost mai utilizate pe scară largă.
Argon laser poate emite lumina a șapte lungimi de undă diferite, cu toate acestea mai mult de 80% din laserele similare funcționează în benzile 488 (albastru) și 514,5 nm (verde). În regiunea ultra-violetă, laserul funcționează la două lungimi de undă - 351,1 și 363,8 nm. Ambele zone sunt de mare interes, deoarece acestea corespund zonei de sensibilitate maximă a materialelor foto și de formă utilizate pe scară largă.
În comparație cu un laser cu CO2, laserul cu argon este mult mai ieftin și mai ușor de utilizat. În tehnologia Computer-to-Plate, laserul de argon a venit de la FNA, deși este rar folosit astăzi. În prezent, laserele cu argon sunt cele mai puternice surse de radiație coerentă continuă în spectrele spectrale ultraviolete și vizibile.
Laserul cu argon funcționează pe tranziții de ioni cu niveluri de energie relativ ridicate, deci este necesară o descărcare de curent înalt pentru pomparea acestui laser. Puterea radiațiilor crește inițial aproximativ proporțional cu cubul curent; În moduri similare cu lucrătorii, această dependență este aproximativ de tip quadratic. Cu o creștere suplimentară a densității de curent (600-1000 A / cm2), saturația este observată, urmată de o scădere, până când generația dispare.
Datorită densității ridicate de curent în tubul de descărcare de gaze, ionii Ar + sunt pompați spre catod, ceea ce duce la o întrerupere a generației. Pentru a compensa acest efect, în proiectarea tubului de evacuare a gazului este prevăzut un tub suplimentar (canal de by-pass), care asigură circulația inversă a gazului (Figura 3.16). Pentru a preveni descărcarea prin acest tub, acesta devine mai lung decât tubul principal de evacuare a gazului. În plus, tubul este, de obicei, plasat într-un câmp magnetic constant paralel cu axa tubului. Câmpul magnetic longitudinal influențează în mare măsură parametrii plasmei; traiectoriile de electroni care se deplasează prin liniile de câmp până la pereții tubului de evacuare sunt răsucite. Ca urmare, frecvența de coliziune în plasmă crește, iar pierderile de pe pereți scad. Tensiunea de ardere a descărcării într-un câmp magnetic este redusă, iar cu același curent de descărcare, crește puterea de radiație, adică crește eficiența.
Figura 3.17 - Schema de nivele energetice ale particulelor auxiliare și de lucru ale unui laser de heliu-neon
În spectrul spectrului vizibil și în infraroșu, un laser de heliu-neon poate conține un număr mare (
130) din liniile spectrale. Separarea liniei spectrale dorită este selectarea oglinzilor rezonator optice, prin introducerea în dispersarea rezonatorului sau selectiv elementul și magnetul permanent absorbant. Într-un laser cu heliu-neon, amestecul de gaze de lucru se află într-un tub cu descărcare de gaz, a cărui lungime poate ajunge la 0,2-1,0 m.
Rezonatorul optic al unui laser de heliu-neon (Figura 3.18) conține două oglinzi concave sau plane 1 și 2; într-un volum al cavității 3 este plasat un tub subțire, cu un diametru interior de aproximativ 1 mm și o lungime de tub introdus gaze cu heliu și neon aproximativ 10 cm, la un raport de presiuni parțiale nu este :. Ne = 5: 1 și o presiune totală de 0,4 kPa din vid. Descărcarea strălucitoare în tub este asigurată de o tensiune electrică de 1-3 kV de la o sursă exterioară 4, aplicată între catodul 5 și anodul tubular 6; curentul de descărcare (aproximativ 5 mA) este limitat de rezistența 7 (50 kΩ). La capetele tubului de descărcare la unghiul Brewster la axa tuburilor θBr ca ferestrele sunt plasate (lipite sau sudate), sticlă polizată optic 8 și 9. Unghiul Brewster determinat de raportul θBr = arctg NCM. unde ncm este indicele de refracție al sticlei. În acest unghi, lumina reflectată este complet polarizată.
Figura 3.18 - Proiectarea unui laser cu heliu-neon
Tubul este fabricat din sticlă de înaltă calitate din cuarț. Puterea de generare depinde în mod esențial de diametrul tubului. Odată cu creșterea diametrului acesteia, pe de o parte mărește volumul de lucru al amestecului, pe de altă parte - temperatura electronilor plasma scade, ceea ce reduce numărul de electroni care pot excită atomii de gaz.
Avantajele laserelor cu heliu-neon sunt coerența radiației, consumul redus de energie (8-10 W) și dimensiunile relativ mici. Principalele dezavantaje sunt eficiența scăzută (până la 10%) și puterea mică de ieșire, care nu depășește 100 mW. Atunci când se utilizează pentru a excita o tensiune puls de amplitudine mare, laserul funcționează într-un mod pulsatoriu.
cu laser heliu-neon cu o lungime de undă de 633 nm sunt echipate, de exemplu, dispozitivele plane CtP-tigercat ECRM companie. Rezoluția maximă de înregistrare a dispozitivelor TigerCat este de 3556 puncte / inch, cu o dimensiune a punctului de 14 microni.
Utilizarea laserelor cu unde scurte de gaze de mare putere în FNA face posibilă obținerea unui punct raster cu o caracteristică mai stabilă - un punct "dur". În astfel de puncte, gradul de înnegrire la margini și în centru diferă cu o cantitate foarte mică. Exemple de astfel de surse sunt laserele heliu-neon (He-Ne) și argon (Ar) cu o lungime de undă de 650 și, respectiv, 488 nm.
Utilizarea laserelor cu unde scurte de gaz, împreună cu cele pozitive, are și aspecte negative. De exemplu, designul FNA devine mult mai complicat, deoarece este necesar un sistem special de răcire, control, control și răcire a dispozitivului laser. Aceasta, la rândul său, crește dramatic prețul FNA.
În ciuda performanțelor bune de lasere cu gaz, recent, producătorii de echipamente CtP au tendința de a prefera o mai simple și ieftine lasere cu semiconductori și semiconductoare.