TEA лазер - TEA laser

ТЭ лазер представляет собой газовый лазер под напряжением с помощью высоковольтного электрического разряда в газовой смеси , как правило , на уровне или выше атмосферного давления . Наиболее распространенными типами являются лазеры на диоксиде углерода и эксимерные лазеры , которые широко используются в промышленности и исследованиях; реже азотные лазеры . Аббревиатура «ЧАЙ» означает «поперечно возбужденная атмосфера».

История

Изобретение

TEA-лазер на диоксиде углерода (CO 2 ) был изобретен в конце 1960-х годов Жаком Болье, работающим в Министерстве исследований и развития Министерства обороны Канады в Валкартье в Квебеке , Канада . Разработка держалась в секрете до 1970 года, когда были опубликованы краткие подробности.

В 1963 году К. Кумар Н. Патель , работающий в Bell Telephone Laboratories , впервые продемонстрировал выходную мощность лазера при 10,6 мкм из разряда CO 2 низкого давления, возбуждаемого радиочастотами . При добавлении азота и гелия и использовании электрического разряда постоянного тока была достигнута мощность в непрерывном режиме около 100 Вт. Путем импульсного разряда с использованием более высоких напряжений или модуляции добротности с использованием вращающегося зеркала можно получить мощность импульса в несколько киловатт в качестве практического предела.

Более высокие пиковые мощности могут быть достигнуты только за счет увеличения плотности возбужденных молекул CO 2 . Емкость запасенной энергии на единицу объема газа увеличивается линейно 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 этого добиться в полезном объеме газа.

CO 2 TEA лазер

Болье сообщил о CO 2 -лазере атмосферного давления с поперечным возбуждением . 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 загружены резисторами, заставляющими разряд от каждого штыря в слаботочную щетку или тлеющий разряд, который разветвлялся по направлению к стержню. Резонатор лазера последовательно исследовал 100-200 таких разрядов, обеспечивая усиление лазера. Конденсатор быстрого разряда быстро переключается на электроды лазера с помощью искрового разрядника или тиратрона, обеспечивающего 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 пиковую мощность СВЧ длительностью несколько 100 нс, способную разрушать воздух, если их сфокусировать с помощью линзы с коротким фокусным расстоянием. 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 конструкция с двойным разрядом связала часть энергии разряда с тонкой проволокой, идущей параллельно и смещенной от одной стороны электродов. Это служило для предварительной ионизации газа с образованием однородного объемного тлеющего разряда. Не меньшее значение для предыонизации имела необходимость очень быстрого разряда. Из-за быстрого сброса энергии в газ сильноточные дуги не успевали образовываться.

Пирсон и Ламбертон использовали полосовую камеру 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 искрового разрядника, разряжающего конденсатор, резистивно заряженный от источника питания постоянного тока. За счет циркуляции газа между электродами, при которой использовалась зарядка конденсатора без потерь и замена искрового промежутка на тиратрон, впоследствии была достигнута частота повторения более тысячи импульсов в секунду с различными конструкциями ТЕА-лазера.

Метод двойного разряда

Метод двойного разряда, необходимый для инициирования стабильных газовых разрядов высокого давления, может использоваться как при давлении ниже, так и выше атмосферного , и эти устройства также могут называться TEA-лазерами. В коммерческих эксимерных лазерах, работающих в ультрафиолете, используется режим двойного разряда, очень похожий на CO 2 TEA-лазер. Используя криптон , хлорид аргона или ксенона или газообразный фторид, забуференный гелием до давления 2–3 атмосфер, эксимерные лазеры могут генерировать мегаваттные импульсы ультрафиолетового лазерного света.

Описание микроскопического разряда

В большинстве искровых разрядников с перенапряжением лавины электронов движутся к аноду. По мере увеличения числа электронов закон Кулона утверждает, что также увеличивается 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 электронов, а диффузия ионов стабилизирует его.

Приложения

Сравнение выжигания фотобумаги с гауссовым лучом для TEA-лазера на диоксиде углерода, полученное в процессе оптимизации с помощью юстировки зеркал.

Лазеры TEA CO 2 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. Кроме того, с середины 1990-х годов ТЭА CO 2 -лазеры используются для подготовки поверхностей в промышленных условиях. Приложения включают:

  • Выборочное или полное удаление краски, известное как селективное лазерное удаление покрытия (SLCR) в области технического обслуживания или ремонта самолетов; этот процесс селективной 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 форм для шин или форм для изготовления кожухов для деталей интерьера автомобилей.

Преимущество этого специфического лазера заключается в сочетании определенной длины волны CO 2 , в основном 10,6 мкм, с высоким уровнем энергии коротких импульсов (~ 2 мкс).

Смотрите также

Ссылки

  • Патель, CKN (1964-05-25). "Интерпретация оптических мазерных экспериментов на COM 2 ". Письма с физическим обзором . Американское физическое общество (APS). 12 (21): 588–590. DOI : 10.1103 / physrevlett.12.588 . ISSN  0031-9007 .
  • Болье, AJ (1970-06-15). «Поперечно Возбужденные атмосферного СО под давлением 2 лазеры». Письма по прикладной физике . Издательство AIP. 16 (12): 504–505. DOI : 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. DOI : 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. DOI : 10.1063 / 1.327412 . ISSN  0021-8979 .

внешние ссылки