Отпаянные лазеры

Содержание.

 

 

1. Введение.

 

 

2. ИЛГН 802

 

 

3. ROFIN SC серии

 

 

4. UltraPulse Encore

 

 

5. «L Designer» С25

 

Введение.

 

Газовые лазеры  представляют собой,  пожалуй, наиболее широко используемый в настоящее время тип лазеров  и, возможно, в этом отношении они  превосходят даже рубиновые лазеры.  Газовым лазерам  также, по-видимому, посвящена большая часть  выполненных исследований. Среди  различных  типов  газовых  лазеров  всегда можно  найти  такой,  который  будет  удовлетворять  почти любому   требованию,  предъявляемому   к лазеру, за  исключением очень большой мощности  в   видимой области спектра в импульсном   режиме. Из всех существующих лазеров (“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”) длительного действия наиболее мощными, продвинутыми в практическом отношении и приспособленными для резки материалов, сварки металлов, термического упрочнения поверхностей деталей и ряда других операций являются электроразрядные СО₂-лазеры. Большой интерес к СО₂-лазерам объясняется также и тем, что у этого лазера эффективность преобразования электрической энергии в энергию лазерного излучения в сочетании с максимально достижимой мощностью или энергии импульса значительно превосходит аналогичные параметры других типов лазеров. С помощью их излучения производят необычные химические реакции, разделяют изотопы.

Газовые лазеры были созданы почти  одновременно с рубиновыми лазерами, в том же 1960 году. Их рабочее вещество различные газы, заключённые в  стеклянные трубки. Давление газов  в этих трубках очень низкое, в  сотни раз меньше атмосферного. На концах трубки – окошки, через которые луч света выходит наружу. Трубка также помещается между зеркалами. Всё, как в импульсном лазере, только лампы накачки нет. Газы при низком давлении хорошо проводят электрический ток, поэтому их атомы можно возбуждать электрическим разрядом. Ток проводится через электроды, впаянные в стеклянную трубку. Трубка с возбуждённым газом светится, а из её торцов выходят лучи. Цвет лучей зависит от газа заключённого в трубку.

Разреженный газ в лазерной трубке очень мало рассеивает свет. Размеры трубок газовых лазеров можно делать очень большими: лазер длиной 5–10 метров – вещь довольно обычная. Мощность его излучения может достигать тысячи ватт, то есть одного киловатта.

Газоразрядные  СО₂ лазеры с диффузионным охлаждением могут быть отпаянные и слабопрокачные.

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

В отпаянном С02-лазере основным элементом  конструкции является стеклянная трубка, по торцам которой расположены зеркала  резонатора и блок питания. Трубку заполняют  активной газовой средой и запаивают. Трубка имеет определенный срок службы, после чего должна быть заменена новой.

СО₂-лазер с диффузионным охлаждением рабочей смеси (см рис.1) состоит из охлаждаемой водой разрядной трубки 3, внутри которой с помощью системы электродов 1 создается газоразрядная плазма 4. По торцам разрядной   трубки   размещаются   зеркала резонатора: глухое 3 и полупрозрачное 5.

Рис1

 

 

Стабильность усилительных свойств  среды в течение длительного  временя поддерживается слабой прокачкой лазерной смеси или размещением внутри лазера регенерирующего элемента. В диффузионных лазерах используется, как правило, смесь СО₂ : N₂ : Не в соотношениях, близких к 1 : 1 : 3 или 1:1:6, при полном давлении 2,7 ... 5,3 кПа.

Основным процессом, ограничивающим объемный энерговклад в диффузионных СО₂-лазерах, является охлаждение рабочей смеси. Предельную мощность излучения лазера можно оценить с помощью соотношения

                                             , где

L₀ — активная длина разрядной трубки

 — коэффициент теплопроводности рабочей смеси

Т_тах — максимально допустимый нагрев рабочей смеси (см. п. 2.7)

— температура стенки трубки

— электрооптический кпд.

Как видно из соотношения, удельная мощность излучения лазера, снимаемая с единицы длины газоразрядной трубки (Р_л/L₀), не зависит от давления рабочей смеси и радиуса трубки. Предельные значения этого параметра составляют Р_л/L₀ 50 ... 100 Вт/м, что достигается использованием рабочей смеси с высоким содержанием гелия (большое ).

Из конструктивных и электротехнических соображений диффузионные лазеры с  большой длиной активной среды целесообразно  изготовлять в виде ряда более  коротких трубок (см рис. 2).

 

                                                                      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

               Рис 2

 

Последовательное прохождение излучения через эти трубки обеспечивается системой поворотных зеркал, объединяющих их в общий резонатор. Разрыв трубок и связанные с этим потери излучения приводят к дополнительному ограничению общей длины активной среды L_о. В промышленных технологических лазерах L_о, как правило, не превышает 40 м. Поэтому мощность однолучевых СО₂-лазеров с диффузионным охлаждением составляет обычно 0,1 ... 1  кВт.

Рост удельной мощности Р_л/L₀ возможен лишь в том случае, если увеличение объема активной среды не будет сопровождаться падением скорости теплоотвода. Такая ситуация возможна, например, в газоразрядном зазоре щелевой конструкции. Газоразрядные камеры (ГРК) с кольцевой геометрией щели (рис.1, б) также используются в СО₂-лазерах технологического    назначения.

С момента создания первого СО₂-лазера с диффузионным охлаждением следствие конструктивной простоты эти лазеры выпускаются практически во всех технически развитых странах мира. Отсутствие внутренних источников вибрации, возможности пассивной и активной стабилизации резонатора позволяют обеспечить высокий уровень энергетической, частотной и угловой стабильности выходного излучения лазеров этого типа. Хорошее согласование осевой симметрии активной среды и резонатора позволяет обеспечить надежную селекцию поперечных мод и выделение низшей моды ТЕМ₀₀. Эти особенности ЛДО обусловливают их достоинства с позиции использования для задач лазерной термической технологии.

 

 

 

Достоинства ЛДО:

1. Пучок их излучения легко  трансформируется и фокусируется  в пятно размером 50..100 мкм, что  позволяет получить интенсивность  излучения в пятне свыше 10⁷ Вт/см².

2. Ось пучка сохраняет стабильное  угловое положение благодаря  ее совпадению с осью симметрии  профиля ненасыщенного коэффициента  усиления активной среды. Это  позволяет контролировать с высокой  точностью местоположение сфокусированного  пучка на обрабатываемом изделии.

3. Малая апертура генерируемого  пучка (10..30мм) позволяет использовать  относительно дешевые оптические  элементы, механические узлы и  приводы.

Технологический лазер с высоким  качеством пучка излучения, генерирующий пучок с гауссовым радиальным распределением интенсивности, соответствующим поперечной моде ТЕМ₀₀, условно называются одномодовым.

Одномодовые ЛДО используются прежде всего при прецизионной лазерной обработке, гравировке, пробивке отверстий (т. к. она ,как правило, меют импульсно-переодический режим генерации), а акже при лазерной сварке и поверхностной термической обработке. Одномодовые ЛДО нашли широкое применение в разнообразных отраслях лазерной медецины.

Кроме того, ряд преимуществ имеют  так называемые отпаянные лазеры.

ЛДО с отпаянным активным элементом наиболее просты и удобны в работе , так как они не требуют подпитки рабочей смеси. Одним из определяющих параметров этих лазеров является долговечность активного элемента. Она зависит прежде всего от съема энергии излучения с единицы длины разрядной трубки, материала электродов, наличия резервного газового объема, исходного состава газов и системы восстановления рабочей смеси в процессе работы. При оптимальном подборе этих параметров в современных отпаянных ЛДО достигнут ресурс 5…10 тыс. часов при энергосъеме     10…20 Вт с 1 м длины разрядной трубки. Лазеры этого типа в нашей стране выпускаются мощностью до 200 Вт.

В отпаянных для регенерации молекул СО₂ из СО в газоразрядную камеру помещается катализатор, для чего в газовую смесь помещают небольшое количество воды (~ 1%). Регенерация идет по следующей реакции:

СО* + ОН  СО₂* + Н

(СО * и СО₂* - колебательно-возбужденные молекулы). Иногда роль катализатора выполняет нагретый до 300 ⁰С никелевый катод. Долговечность этих лазеров  10⁴ часов, W_л = 60 Вт/м.

 

 

 

 

 ИЛГН-802

 

С рабочей смесью Xe:CO₂:N₂:He=0,25:1:1,5:10 .

Принцип действия излучателя основан  на способности активной среды из смеси газов Xe-CO₂-N₂-He, возбуждаемой тлеющим разрядом, усиливать проходящее через нее излучение с длиной волны 10,6 мкм.

Основными элементами излучателя являются: разрядные трубки, поворотные узлы, оптический резонатор и несущая  конструкция.

Общий вид излучателя приведен на рис.1.

Основные технические  данные ИЛГН-802.

1. Электрические параметры и характеристики.

Длина волны излучения	10,6 мкм.
Тип излучения	одномодовый ТЕМ00g.
Режим излучения	непрерывный и импульсный с модуляцией добротности резонатора
Частота следования импульсов	фиксированная, в диапазоне 100 50 кГц
Мощность излучения в импульсе	не менее 1,0 кВт
Мощность излучения средняя  в импульсном режиме	не менее 50 Вт
Мощность излучения в непрерывном  режиме	не менее 60 Вт
Расходимость пучка излучения	не более 3 10-3 рад
Мощность, потребляемая излучателем	не более 1200 Вт
Напряжение зажигания	не более 18 кВ
Напряжение модулятора	0 – 30 В

 

2.Конструктивные параметры.

 

Излучатель	в виде отдельного отпаянного прибора
Рабочее положение излучателя	горизонтальное или вертикальное (с направлением выхода излучения  вверх)
Охлаждение	принудительное жидкостное, параметры  излучателя обеспечиваются при расходе  охлаждающей жидкости – не менее 3 л/мин и температуре на входе  – не более 250С
Давление на входе	не более 100 кПа, охлаждающая жидкость в зависимости от условий эксплуатации: вода
Габаритные размеры излучателя	165 178 1360 мм
Масса излучателя	35 кг
Масса излучателя с транспортной тарой	не более 70 кг

 

3. Надежность.

 Наработка на отказ  – не менее 500 ч. 

 Средний ресурс  – не менее 2000 ч.

     Срок сохраняемости в условиях хранения 1 по ГОСТ 15150-69 – не менее 2 лет.

Источник питания  ИПЛ-8 газового излучателя ИЛГН-802

Назначение: ИПЛ-8 предназначен для электропитания постоянным током восьмиэлектродного газового излучателя типа ИЛГН – 802 и обеспечивает:

• поджиг разрядных промежутков излучателя;
• автоматический контроль аномального поджига и режима работы излучателя;
• стабилизацию токов разрядных промежутков и регулировку мощности излучения в широком диапазоне;
• автоматическое отключение питания излучателя в случае возникновения аномального режима работы или отсутствия охлаждающей воды в излучателе.

Технические характеристики

Блока питания
Номинальный выходной ток, мА	120,0
Выходное напряжение, кВ	6,0
Напряжение поджига, кВ	20,0
Номинальная мощность, кВт	1,0
Диапазон регулирования  тока, мА	5,0÷160,0
Пульсации тока на высокой частоте, не более %	3,0
Вес, не более  кг	4,5
Габариты, мм	145×180×320
Охлаждение  источника питания	Воздушное
Питающая сеть	Однофазная, 220 В, 50 гЦ

Внешнее управление источником питания  обеспечивает:

• дистанционное включение/выключение излучателя;
• индикацию фактического тока лазера;
• регулировку мощности излучения;
• блокировку по наличию/отсутствию охлаждающей воды;
• индикацию нормальной работы ИПЛ – 8.

 

 

 

 

 

 

Преимущества данного  лазера:

 

а) простота и надежность конструкции, позволяющие достаточно быстро разобраться  как в принципе работы данной конструкции, так и в конструкторских решениях, что поможет в дальнейшей учебе  и работе: в процессе эксплуатации лазера убедиться в правильности или ошибочности тех или иных конструкторских решений, несовершенстве некоторых узлов лазера, то есть даст возможность учиться на чужих ошибках;