Cikkek a lézergépen »hogyan működik a lézercső és a nagyfeszültségű egység?

Hogyan működik a lézercső és a nagyfeszültségű egység?

A lézercső olyan üvegbuborék, amely 3 belső üreggel rendelkezik. A belső és a külső üregeket a CO2-N2-He gázok keverékével töltik meg, a középső üreg úgy van kialakítva, hogy a lézercsövet vízzel lehűtse. A belső üreg szélein vannak elektródák (anód és katód), amelyek elektromos árammal vannak ellátva a nagyfeszültségű egységből. Az áram alkalmazása során lézersugárzást állítanak elő.

A nagyfeszültségű egység egy lézersugaras tápegység, amely nagyfeszültségű töltést generál, ami lehetővé teszi a lézersugár számára lézersugár létrehozását.

A nagyfeszültségű egység működésének elve:

- A készülék indításához szükséges jelzés be van kapcsolva.

- A gyújtási mechanizmus aktiválva van. Ez növeli a feszültséget addig, amíg a kisülés meg nem kezdődik (vagyis addig, amíg az áram a katódból az anódba áramlik). Ha az áram nem áramlik, akkor a nagyfeszültségű egység a lehető legnagyobb feszültséget emeli fel, és a következők fordulhatnak elő:

a) A nagyfeszültségű egység automatikusan kikapcsol;

b) A nagyfeszültségű egység továbbra is a lehető legnagyobb feszültséget biztosítja, amely gyorsan leállítja a gyújtótekercseket, és a készüléket használhatatlanná teszi.

- Ha az áram a lézersugárban áramlik, az áramszabályozó a nagyfeszültségű egységben bekapcsol. Egy adott áramot tart fenn az áramkörben, függetlenül az elektromos áramkör terhelésének változásától.

A nagyfeszültségű egységtől a lézersugárig átvitt áram fő jellemzői a feszültség és az áram.

A feszültség (kV) az elektromos töltésnek a katódról az anódra történő átvitelére irányuló munka. A különféle lézersugaraknak különböző a szükséges gyújtási feszültség. A lézercsövek jellemzői a "gyújtási feszültség" és a "működési feszültség". A "gyújtási feszültség" olyan munka, amely lehetővé teszi a katód és a lézercső anódjának "csatlakoztatását", hogy a katódtól az anódig áramoljon. A kapcsolat létrejötte után a feszültség csökken, és a lézersugár kisebb feszültséggel működik, az úgynevezett "munkafeszültség".

Az aktuális erősség (mA) az egységnyi időegységre jutó díj összege. Az áramerősség növekedése növeli a lézersugár által szállított töltet mennyiségét.

A lézercső a következőket igényli:

I. Olyan anyag lézersugárban való jelenléte, amelyben instabil szintek vannak.

A mi esetünkben ez az anyag CO2-gáz és Ő.

II. Fordított népesség létrehozása.

Az inverz populáció egy kvantumközeg állapota, ha a töltött részecskék száma (ε2) nagyobb, mint a töltetlen részecskék (ε1).

Ha az aktív közegben inverz populációt hozunk létre, egy atom sugárzása befolyásolhatja más atomok kibocsátását (superradiance).

Az inverz populációt egy lézercsőben hozták létre elektromos kisüléssel. A hatás a külső elektromágneses mezők egy gáz lézer cső közepes (keveréke CO2-N2-He) képződéséhez vezet ionok és szabad elektronok további kinetikus energia, amely, ha szembe semleges CO2 atomok továbbítják azokat a plusz energiát át őket, hogy a gerjesztett állapotban (ε2).

Annak érdekében, hogy egy invertált populációt hozzon létre (ε2> ε1) a lézercsőben, szükség van olyan töltésre, amely az árammal (mA) arányosan növekszik.

Lézeres sugárzás generálása pontosan akkor következik be, amikor a populáció inverziója elér egy bizonyos kritikus értéket. Alacsony szivattyúáramoknál (mA) a lézercső aktív közegében lévő atomok kevesebb mint fele gerjesztett állapotban van. A szivattyúáram (mA) növekedésével a populáció inverziója érhető el.

Minden töltött részecske mindig visszatér eredeti állapotához (ε2 -> ε1). Ez a kvantumfizika egyik alapelve. A részecskéknek a gerjesztett állapotból a rendes felé történő átmenetének következtében elektromágneses hullám (foton) szabadul fel.

Izgatott részecskék új fotonokat bocsátanak ki:

Ebben az esetben az újonnan képződött foton rendezetlenül (inkoherensen) kerül kibocsátásra, ami nem teszi lehetővé a fő lézersugárzás áramának növelését. Ez egyfajta "mag" a részecske-rezgések erősítésének és gerjesztésének folyamatában.

A kényszerített foton emisszió általában a következők miatt következik be:

1) Megbízott CO2 részecske összeütközés semleges atom vagy foton segítségével. Az ütközés eredményeképpen egy ütköző foton új fotont hoz létre, amely koherens egymással. A lényeg, hogy a második fotonnak ugyanolyan frekvenciája, fázisa, iránya és polarizációja van, mint az első, ez a tulajdonság lehetővé teszi az optikai amplifikáció folyamatát, azaz lézersugárzás.

2) N2 atomokból származó rezonáns energiaátadás. Az abszorpció az elektromágneses mező atomok N2 kapnak további kinetikus energia, amely formájában izoláljuk a rezgések (rezonancia), amely viszont továbbítja a gerjesztett CO2 atomok és vezeti őket a stimulált emisszió által a foton.

3) Külső elektromágneses mező hatásai. Fontos, hogy az inverz populáció esetében a kényszerített átmenetek (stimulált kibocsátások) dominálnak a koherens fotonok kibocsátásával. Ebben az esetben a részecske átmenetekből a feltöltött állapotba történő energiaveszteség elhanyagolhatóvá válik.

Ha az energiát a szivattyúberendezés átviszi az aktív közegbe, akkor gerjesztett atomok feleslegessé válnak. Az aktív tápközegben keletkező spontán fotonok izgatottakkal kölcsönhatásba lépnek, és végső soron egy lézersugarat alkotó, stimuláltan kibocsátott fotonok erőteljes lavináját indítják el.

III. Pozitív visszacsatolás (optikai rezonancia) létrehozása.

Az optikai rezonátor áll egy üveggömböt, a bal és jobb, amelyek forrasztva két tükör: egy áttetsző (reflexiós tényezője 0,98), a másik - egy áttetsző (transzmittancia 0,5).

A hullámok interferenciája az optikai rezonátorban a visszaverődés eredményeképpen következik be. A rezonátor tengelye mellett közlekedő hullámot az aktív tápközegben felerősítik és időről időre visszaverődik a tükrökről. Minden egyes reflexió esetében a hullám részben átmegy egy féltávtartó tükören, és elhagyja a rezonátort. A leválasztott hullám felerősödik, és a következő visszaverődésnél ismét részben elhagyja a rezonátort. Annak érdekében, hogy a továbbított fotonlámpát felhasználhassuk, elég koherens fotonok lavinája szükséges.

A rezonátor vízszintes tengelyétől való bármilyen eltérés esetén a hullám egyre inkább eltér a vízszintes tengelytől, és a rezonátoron kívül lehet.

Ha vesszük az összes fenti, megkapjuk a következő: elektromos feszültség van szüksége részecskék és Ő CO2 molekulák magasabb energiaszintre. Részecskék nagy energiájú szintű ütköznek más részecskék és bocsátanak ki fotonokat, amelyek gyűjtik egy közös áramot többször tükröződik a tükör, és végül keresztül távoznak a félig átlátszó tükör formájában lézersugárzás.

Amint azt korábban írtuk, a lézercsőben lévő gázkeverék szén-dioxid, nitrogén és hélium keverékéből áll. Tipikusan a gázok aránya:

1xCO2 + 2xN2 + 7xHe vagy 1xCO2 + 1xN2 + 8xHe vagy 1xCO2 + 6xN2 + 12xHe

A CO2 a gázkeverék fő összetevője, amelynek molekulái instabil szinteket mutatnak. Ezen atomok egyik szintről a másikra történő átmenetének következtében az energia felszívódik vagy felszabadul. Általában a lézercső és a nagyfeszültségű egység által generált elektromágneses tér energiája felszívódik. Az energiát foton formájában szabadítják fel.

Az N2 a gázkeverék egy további komponense, amely jó rezonátor. Az energia felszívása, a nitrogén átáramolja az energia 95% -át rezgésekké. Ezek az oszcillációk átjutnak a CO2 molekuláiba, ami mozgásba hozza őket, és ütköznek egymással.

A gázkeverék nem multifunkcionális komponense. Először is növeli a felső energiaszintek pusztításának sebességét és hatékonyságát, azaz növeli az új fotonok kibocsátásának sebességét és hatékonyságát. Másodszor, a hélium magas hővezetőképessége támogatja a gyors hőelvonást az aktív tápközegből, amely alacsony CO2 hőmérsékletet tart fenn. A széndioxid alacsony hőmérséklete viszont nem teszi lehetővé a magas, alacsony energiaszintű populáció létrehozását, ami növeli az új fotonok kibocsátásával járó töltött részecskék számát. Harmadszor, a hélium magas hővezető képessége csökkenti a CO2-gáz lebomlási sebességét:

Q + 2CO2 → 2CO + O2, ahol Q a hő

A hélium atomok olyan kicsiek, hogy önkényesen áthaladhatnak a lézercső külső láncolat nélküli létrehozásához használt üveg kristályrácsán. Ez azt jelenti, hogy idővel a lézercső gázkeverékéből származó hélium elpárolog. Így egy elégtelen cső elegendő számú hélium atom hiányában nem teszi lehetővé az összes elérhető CO2-molekula hatékony felhasználását, és emeli a CO2-bomlás sebességét is. Ez alacsony sugárzási teljesítményben és a lézercső gyors kimerülésében nyilvánul meg.

A lézersugárban lévő gázrészecskék ionizálásához nagyfeszültségű egység által létrehozott nagyfeszültségre van szükség. Amikor pattanások a terminálok az anód és a katód a lézer cső és a kimerültség a gázkeverék szükséges feszültséget gyújtás cső (visszacsatolás) növeli, a lézer cső ellenállását is növeli. Egy bizonyos ponton olyan feszültségre van szükség, amelyhez a nagyfeszültségű egység nem képes megbirkózni a lézersugár "gyulladásának" feladatával, és az egységen belüli elektromos lebomlás előfordulhat. Ennek eredményeként a bontást az elektromos áram kerül nagyfeszültségű fémház blokk, ahonnan további beáramlik a más elektronikus alkatrészek a gép, valamint az emberi test, amely abban a pillanatban lesz érintse meg a készüléket. Annak elkerülése érdekében, amiatt, hogy a nagyfeszültségű egység és a másik a kapcsolódó elemek (beleértve a lézer cső), akkor szükséges elkülöníteni kapcsolatok minőségileg lézer cső csatlakozás és a nagyfeszültségű egység és a földelés a nagyfeszültségű egység.

Az áramerősség növekedése növeli a katódból átvitt díjak számát a lézercső anódjába. Díj emelése növeli a részecskék száma a gázkeverék (az aktív közeg) részt vesz a kialakulását és megteremti fotonok az elektromágneses hullámok, amelyek a kilépő a lézer cső jelenik meg a lézer. De nem szabad megfeledkeznünk arról, hogy a lézersugár belsejében lévő érintkezőket egy bizonyos maximális töltetre tervezték, amely egységnyi időre képes vezetni. Ez azt jelenti, hogy ha a maximális lehetséges áramot túllépik, az anód megsemmisül, részecskéi a lézersugár gázkeverékébe esnek, megmérgezik és hozzájárulnak a lézer-emitter gyorsabb meghibásodásához. Ezenkívül maga a kapcsolat is kudarcot okozhat, ami a lézercsövet is felhasználhatatlanná teszi.

A lézersugár fordított volt-amper karakterisztikával rendelkezik, így minél nagyobb az áramerősség, annál alacsonyabb a feszültség. Kis áramerősség mellett a feszültség olyan magas, hogy nő a nagyfeszültségű egység meghibásodásának kockázata.

A lézercső aktuális paramétereinek leírásához két fontos paraméter van: feszültség (kV) és áram (mA). A feszültség a lézersugár meggyújtásához szükséges értéknek tekinthető. A jövőben a "működési feszültség" értéke alacsonyabb lesz, mint a "gyújtási feszültség". Ezért, amikor nagyfeszültségű egységet választunk a lézercsőre, szükséges, hogy a nagyfeszültségű egység legalább olyan feszültségértéket adjon ki, amely képes a lézersugarat megvilágítani. Gyakorlati értelemben az, hogy elvileg lehet használni a hatékonyabb lézercsövekhez tervezett tömböket kis teljesítményű csövek gyújtására. De nem ajánlott nagy teljesítményű csövet elhelyezni kis teljesítményű tömbökön, mert ha az egység nem tud lámpát világítani, akkor növeli az áramellátást, amíg meg nem szűnik. Húzzuk át az aktuális erősséget: fontos, hogy ne alkalmazzuk az áramot a lézercsőre, amely nem számít ki a cső modelljére. Az aktuális intenzitás túllépése károsíthatja a lézersugár érintkezőit, ami gyors kimerüléshez és alkalmatlansághoz vezet.

1. táblázat A lézercsövek jellemzői

Az áramerősséget kétféle módon korlátozhatja:

1. Állítsa be a nagyfeszültségű egységet, hogy maximalizálja a lézersugárnak megfelelő áramot.

2. Ne használja a nagyfeszültségű egységet 100% -os teljesítmény mellett, így manuálisan találhat egy bizonyos teljesítményhatárt (százalékban), amely felett a nagyfeszültségű készülék használata káros hatással lesz a lézercsövére.

A lézercső teljesítménye számos módon növelhető, amelyek közül az egyik még a fogyasztó számára is elérhető:

1. Módosítsa a katód összetételét.

A lézercső katódja arannyal bevonható.

2. Növelje a lézersugár hosszát vagy annak átmérõjét.

A lézercsövekben alkalmazott Fabry-Perot rezonátort ismertető egyik jellemző a rezonancia Q-faktora. Körülbelül, a Q-tényező leírható a tárolt energia teljesítményének a teljesítményveszteséghez viszonyított aránya. A Q-tényező magasabb lesz, ha a rezonátor képes több energiát tárolni, vagy kevesebb a visszaverődés miatt keletkező energiaveszteség. A Q-faktor (Q) leírható képletek egyike így néz ki:

L a rezonátor hossza

r a rezonátor tükör reflexiós együtthatója

Ebből nyilvánvaló, hogy ha a L mutató (rezonátorhossz) növekszik a számlálóban, növeljük a minőségi tényezőt. Az r exponens növelésével (az optikai elem reflexiós koefficiense) csökkenti a nevezőt, ami ismét növeli a minőségi tényezőt.

3. Erősen hűtsük le a lézersugarat.

Alacsony hőmérsékleten a lézercsőben lévő gerjesztett részecskék nagyobbak lesznek, és a gázkeverék degradációs sebessége is csökken. De ne felejtsd el, az elmével hűvösnek kell lenned!

A lézercsőnek a harmatpont alatt történő hűtésére rendelkezésre álló módszerek egyike is létezik: a lézersugár és a többi rész optikájához különböző hűtőköröket végezni. Ehhez szükség van egy további hűtőkör létrehozására a lézersugár optikája körül, ahol a víz 2-3 fokkal a harmatpont felett kell átadni a ködképződés elkerülése érdekében. Például vékony szilikoncsövek optikai elemeit körbefuttatják, amelyeken keresztül meleg víz jut.

A lézersugarakat rendszerint úgy tervezték, hogy +10 és +40 Celsius fok közötti hőmérsékleten működjenek. De ahogy korábban írtuk, annál alacsonyabb a CO2 gáz működési hőmérséklete, annál lassabb lesz a bomlása. Az optimális üzemi hőmérséklet +25 Celsius fokos és 45-55% -os páratartalmú helyiségben +14 Celsius fokot jelent. Ez azt jelenti, hogy a folyadéknak a csövet hűteni kell +14 Celsius fokot. Lehetséges, hogy még tovább lehűtjük a csövet, de probléma merül fel a lézercső optikai rezonátorában. A rezonátor szélei tükrök, amelyek a harmatpont elérésekor képesek ködre. A piszkos félig átlátszó tükör nagymértékben csökkenti a lézersugárzás kihagyásának képességét. Ezért a hűtőfolyadék hőmérsékletének 2-3 ° C-kal kell magasabbnak lennie a kiszámított harmatpontnak a helyiségben, ahol a lézersugár található. Azt is figyelembe kell venni, hogy a lézersugár optikáján a kondenzátum megjelenik a harmatpont közeledtével. Ha ez a kondenzátum a lézersugár érintkezőin alakul ki, akkor mind a cső, mind a nagyfeszültségű egység kikapcsolható. A kapcsolatok jó elkülönítése segít elkerülni ezt a helyzetet. Lehetőség van a cső lehűtésére nemcsak desztillált vízzel, hanem különféle hűtőközegekkel is. fagyálló. Ennek ellenére van értelme ezt csak abban az esetben, ha a helyiség hőmérséklete és páratartalma lehetővé teszi a lézersugár hűtését negatív hőmérsékletre. Emlékeztetni kell arra is, hogy a fagyálló hõteljesítménye 25% -kal alacsonyabb a víz hõteljesítménye alatt, így a hûvösebb víz egy negyedével hatékonyabb. A lézersugár aktív közegében lévő izgatott részecskék fényerejűek. Ez a lézersugár belsejében lévõ lézersugárból eredõ piros, néha lila fényben nyilvánul meg, amely a rezonátor tengelye mentén mozog. Minél több atom vesz részt egy elektromágneses hullám létrehozásában, annál intenzívebb a lézersugár belsejében lévő fény. Ebben az esetben a gáz ragyogása ugyanolyan frekvenciájú molekulák rezgése. A gázkeverék kimerülésével a csőben lévő sugárzás színe fehér lesz. De a lézersugár belsejében lévő fehér sugar nemcsak a gázkeverék kimerüléséről szól. A hűtőfolyadék magas hőmérsékletén, 23-25 ​​Celsius fokos tartományban a lézercső teljesítménye jelentősen csökkenhet, és a fénysáv fehér lesz. Ez azt jelzi, hogy a gázkeverék túlhevült: az alacsonyabb energiaszintek lakoznak, a lézercső nem képes hatékonyan használni a rendelkezésre álló CO2-atomokat; a CO2 bomlásának mértéke nő.

4. táblázat A hűtőberendezés kiválasztása a lézercső hűtéséhez