TEA лазер - TEA laser

А TEA лазер это газовый лазер под напряжением электрический разряд в газовой смеси обычно на уровне или выше атмосферное давление. Наиболее распространенные типы: углекислотные лазеры и эксимерные лазеры, оба широко используются в промышленности и исследованиях; менее распространены азотные лазеры. Аббревиатура «TEA» означает «поперечно возбужденная атмосфера».

История

Изобретение

Углекислый газ (CO2) TEA-лазер был изобретен в конце 1960-х годов Жак Больё работая в Министерство оборонных исследований и разработок Канады в Валькартье в Квебек, Канада. Разработка держалась в секрете до 1970 года, когда были опубликованы краткие подробности.

В 1963 г. К. Кумар Н. Патель, работая в Bell Telephone Laboratories, впервые продемонстрировал выход лазера на 10,6 мкм при низком давлении РФ -возбужденный CO2 сброс газа. С добавлением азота и гелия и использованием ОКРУГ КОЛУМБИЯ электрический разряд, CW была достигнута мощность около 100 Вт. Пульсируя разряд с использованием более высоких напряжений, или Q-переключение при использовании вращающегося зеркала мощность импульса в несколько киловатт может быть получена как практический предел.

Более высокие пиковые мощности могут быть достигнуты только за счет увеличения плотности возбужденного CO2 молекулы. Емкость запасенной энергии на единицу объема газа линейно увеличивается с плотностью и, следовательно, с давлением газа, но напряжение, необходимое для пробоя газа и передачи энергии на верхние лазерные уровни, увеличивается с той же скоростью. Практическое решение, позволяющее избежать очень высоких напряжений, заключалось в подаче импульса напряжения поперек оптической оси (а не в продольном направлении, как в случае с лазерами низкого давления), ограничивая расстояние пробоя до нескольких сантиметров. Это позволило использовать управляемые напряжения в несколько десятков кВ. Проблема заключалась в том, как инициировать и стабилизировать тлеющий разряд при гораздо более высоких давлениях газа, чтобы разряд не перерос в яркую сильноточную дугу, и как добиться этого в полезном объеме газа.

CO2 TEA лазер

Болье сообщил о поперечно возбужденном СО атмосферного давления2 лазер. Его решение проблемы образования дуги заключалось в том, чтобы проводящий стержень был обращен к линейному массиву штырей с расстоянием в несколько сантиметров. Штыри были индивидуально нагружены резисторами, заставляющими разряд от каждого штыря к слаботочной щетке или тлеющему разряду, который распространялся по направлению к стержню. Резонатор лазера исследовал 100-200 таких разрядов последовательно, обеспечивая усиление лазера. Конденсатор быстрого разряда быстро переключается между лазерными электродами с помощью искрового промежутка или тиратрон обеспечивали импульсы высокого напряжения.

Эти первые TEA-лазеры типа Pin-Bar, работающие со скоростью около одного импульса в секунду, были просты и дешевы в изготовлении. Работая при атмосферном давлении, можно избежать сложных вакуумных и газовых систем. Они могли производить МВт пиковые мощности несколько 100 нс продолжительность способна разрушение воздух, если сфокусировать его с помощью короткофокусного объектива. Недостатками были плохая симметрия усиления, потери на резисторах и размер.

Пирсон и Ламбертон

ЧАЙ CO
2 Лазерная схема

Первый настоящий (без пин-бара) TEA-лазер был создан Пирсоном и Ламбертоном, работающими в лаборатории электронных исследований Министерства обороны Великобритании в Болдоке. Они использовали пару электродов с профилем Роговского, разделенных одним или двумя сантиметрами. Их дважды разряженные[требуется разъяснение ] Конструкция связала часть энергии разряда с тонкой проволокой, идущей параллельно и смещенной от одной стороны электродов. Это послужило пре-ионизировать газ, в результате чего образуется однородный объемный тлеющий разряд. Не меньшее значение для предыонизации имела необходимость очень быстрого разряда. Из-за быстрого сброса энергии в газ у сильноточной дуги не было времени образоваться.

Пирсон и Ламбертон использовали полоса камеры для проверки последовательности событий. Когда между электродами создавалось напряжение, автоэлектронная эмиссия тонкой проволоки приводила к пластинчатому разряду между ней и анодом. Поскольку последующий основной разряд начинался с катода, было высказано предположение, что инициирующим механизмом была фотоэмиссия. Впоследствии другие исследователи продемонстрировали альтернативные методы достижения предыонизации. К ним относятся диэлектрически изолированные провода и электроды, скользящие искровые решетки, электронные пучки и штыри, нагруженные конденсаторами.

Оригинальный TEA-лазер Пирсона-Ламбертона мог работать со скоростью около одного импульса в секунду при включении искровым разрядником, разряжающим конденсатор, резистивно заряженный от источника питания постоянного тока. Путем циркуляции газа между электродами с использованием заряда конденсатора без потерь и замены искрового промежутка на тиратрон, частота следования импульсов, превышающая тысячу импульсов в секунду, впоследствии была достигнута с помощью различных конструкций ТЕА-лазера.

Метод двойного разряда

Метод двойного разряда, необходимый для инициирования стабильных газовых разрядов высокого давления, может использоваться как ниже, так и выше. атмосферное давление, и эти устройства тоже можно назвать ТЕА-лазерами. Коммерческий эксимерные лазеры работая в ультрафиолете, используйте режим двойного разряда, очень похожий на режим CO2 ЧАЙ-лазер. С помощью криптон, аргон или же ксенон газообразный хлорид или фторид, забуференный гелий до давления 2–3 атмосфер эксимерные лазеры могут генерировать мегаваттные импульсы ультрафиолетового лазерного излучения.

Описание микроскопического разряда

В большинстве разрядников с перенапряжением лавины электронов движутся к аноду. Закон Кулона утверждает, что также увеличивается и напряженность поля. Сильное поле ускоряет лавину. Медленное время нарастания напряжения позволяет электронам дрейфовать к аноду, прежде чем они смогут вызвать лавину. Электрофильные молекулы захватывают электроны до того, как они могут вызвать лавину. Тепловые эффекты дестабилизируют однородный разряд, диффузия электронов и ионов стабилизирует его.

Приложения

Горение фотобумаги гауссовым лучом[требуется разъяснение ] сравнение ТЕА-лазера на диоксиде углерода, полученного в процессе оптимизации путем регулировки юстировочных зеркал.

ЧАЙ CO2 лазеры широко используются для маркировки продукции. Логотип, серийный номер или срок годности наносятся на различные упаковочные материалы путем пропускания лазерного луча через маску, содержащую информацию, и фокусировки его до интенсивности, при которой материал, подлежащий маркировке, удаляется. Помимо этого TEA CO2 лазеры используются для подготовки поверхностей в промышленных условиях с середины 1990-х годов. Приложения включают:

  • Выборочное или полное удаление краски, известное как селективное лазерное удаление покрытия (SLCR) в области технического обслуживания или ремонта самолетов; Этот процесс выборочной зачистки был одобрен в 2001 году как первый процесс лазерной зачистки OEM-производителями и центрами технического обслуживания самолетов.
  • Активация или очистка поверхностей под покраску и склейку.
  • Удаление загрязнений или слоев покрытия в качестве подготовки к склеиванию или сварке.
  • Очистка форм и инструментов без износа, например пресс-формы для шин или пресс-формы для изготовления кожухов для автомобильных деталей интерьера.

Преимуществом этого конкретного лазера является комбинация CO2 удельная длина волны, в основном 10,6 мкм, с высоким уровнем энергии коротких импульсов (~ 2 мкс).

Смотрите также

Рекомендации

  • Патель, К. К. Н. (1964-05-25). "Интерпретация COM2 Оптические мазерные эксперименты ». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 12 (21): 588–590. Дои:10.1103 / Physrevlett.12.588. ISSN  0031-9007.
  • Болье, А. Дж. (1970-06-15). "Поперечно возбужденное атмосферное давление CO2 Лазеры ». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 16 (12): 504–505. Дои:10.1063/1.1653083. ISSN  0003-6951.
  • Pearson, P .; Ламбертон, Х. (1972). «CO2-лазеры атмосферного давления, обеспечивающие высокую выходную энергию на единицу объема». Журнал IEEE по квантовой электронике. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 8 (2): 145–149. Дои:10.1109 / jqe.1972.1076905. ISSN  0018-9197.
  • Леваттер, Джеффри I .; Линь, Шао-Чи (1980). «Необходимые условия для однородного формирования импульсных лавинных разрядов при высоких давлениях газа». Журнал прикладной физики. Издательство AIP. 51 (1): 210–222. Дои:10.1063/1.327412. ISSN  0021-8979.

внешняя ссылка