wrapper

Верстати ЧПУ

Лазер - геніальний та простий за своїм принципом функціонування пристрій. Водночас для того, щоб лазер запрацював, потрібно врахувати безліч важливих нюансів. Всі ми знаємо, що якщо атому або молекулі речовини дати деяку енергію, то через якийсь час цей атом / молекула від неї позбудуться - можливо навіть, випустивши квант випромінювання.

Принцип дії наспупний: працює лампочка, спіраль нагрівається електричним струмом, теплова енергія атомів (і вольфраму і всіх домішок) переходить в енергію випромінювання.

При цьому спектр такого випромінювання приблизно відповідає спектру абсолютно чорного тіла і являє собою купу різних за довжиною хвиль з характерним піком інтенсивності для даної температури.

У той же час, якщо по збудженому атому вдарити фотоном певної частоти, не чекаючи, поки атом скотиться на нижній енергетичний рівень сам, то в результаті поглинання такого фотона атом знизить свою енергію на енергію фотона і випустить два абсолютно однакових фотона, ідентичних тому, що прилетів. Ідентичних абсолютно: у напрямку, по фазі, по поляризації, і, звичайно по енергії, тобто довжині хвилі. Це вимушене випромінювання.

Якщо у нас багато однакових збуджених атомів, то велика ймовірність, що фотон що роздвоївся вдарить по такому атому та роздвоїться знову і т.д., поки не закінчаться збуджені атоми в напрямку поширення хвилі. Таким чином, всього один влетівший у простір з нашими збудженими атомами фотон правильної довжини хвилі, розмножується багаторазово - посилюється, а атоми втрачають енергію. Звідси зрозуміло, що для того, щоб лазер працював безперервно, випромінюючим атомам безперервно потрібно повідомляти енергію, що переводить їх назад на верхній енергетичний рівень – це називається  - «накачувати». Причому, для успішного посилення атомів на верхньому енергетичному рівні має бути більше, ніж на нижньому, цей стан речовини називається «інверсна населеність». Одного проходу посиленого пучка квантів через робоче тіло зазвичай недостатньо, тому його розміщують в резонатор - два дзеркала, одне з яких відбиває випромінювання повністю, а друге - частково випускає назовні посилений пучок.

Атоми, про які піде мова в контексті даного лазера - це іони неодиму, які знаходяться у вузлах решітки кристала. Якби вони просто бовталися у вакуумі і знаходилися у формі газу, то лазер був би газовий, а оскільки вони «закріплені» в кристалі, то лазер виходить твердотільний. Кристал підбирається таким чином, щоб він був прозорим для потрібних нам довжин хвиль, міцним механічно, і підходив по ряду інших параметрів, які для розуміння роботи не критичні. Власне, кристал YVO4 з домішками (інакше кажучи - легуванням) неодимом Nd і називається робочим тілом лазера, а повністю формула записується як Nd: YVO4. Тут важливо розуміти, що головне у нас тут - саме неодим, а кристалів з відповідними параметрами для існування є безліч: Nd: Y3Al5O12.

У прикладі вимушеного випромінювання у нашого атома було всього два енергетичних рівні - верхній і нижній, але реальність виглядає більш серйозно:

Тут ми бачимо «цікаві» з погляду випромінювання і поглинання енергетичні рівні іона неодиму в кристалі аллюм-ітрієві граната. Слід розуміти, що іон неодиму (як і будь квантовий об'єкт) може поглинути тільки кванти певних довжин хвиль - енергія яких відповідає різниці енергій його рівнів. Це сині стрілки.

Хоча енергетично набагато більш вигідно накачувати кристал довжиною хвилі 869nm, потужних і дешевих джерел такої довжини хвилі немає. Тому використовуються лазерні діоди, що випромінюють 808nm (зате інтенсивно), які заганяють іони на рівень вище, ніж потрібно. Через невеликий час відбувається безвипромінювальний перехід на рівень 4F3 / 2. Це т.зв. метастабільний енергетичний рівень. «Метастабільний» означає, що на цьому рівні іон залишається відносно довгий час, не скидаючи енергію, але в той же час, цей рівень і не основний (чи не з мінімальною енергією). Це важливо, оскільки в цьому стані іон неодиму повинен «дочекатися» свого кванта, який і буде посилений з переходом на більш низький рівень.

Збуджений іон неодиму може випромінити квант з одою з чотирьох довжин хвиль, придатних до подальшого посилення (червоні стрілки). Причому, найбільша ймовірність випромінювання - на довжині хвилі 1064nm, решта переходів також можливі. З ними боряться, застосовуючи спеціальні дзеркала резонатора, які відображають тільки хвилі довжиною 1064nm, а решта - випускають назовні, не даючи посилитися в резонаторі. Таким чином можна вибрати одну або декілька з можливих частот випромінювання лазера просто замінюючи дзеркала.

Отже, накачуючи лазерним діодом наш кристал, поміщений в резонатор, ми отримуємо лазерне випромінювання з довжиною хвилі 1064nm. Варто зазначити, що накачувати неодим можна не тільки лазерним діодом, а й лампами-спалахами та іншими джерелами випромінювання, у яких в спектрі є потрібні довжини хвиль, тобто саме лазер як джерело накачування тут не обов'язковий. Просто лазерний діод дуже ефективний у плані перетворення електричної енергії у випромінювання однієї потрібної нам частоти (ККД досягає більше 50%), а те, що його випромінювання має поляризацію і когерентність - це позитивні, але не обов'язкові якості.

ІЧ-випромінювання 1064nm перетворюється на зелене 532nm в процесі, що називається «генерація другої гармоніки» (SHG). Причому ефективність цього процесу залежить від амплітуди відповідної кванту хвилі (в цьому і є його нелінійність), тому дивлячись через кристал на навколишній світ, ми не побачимо жодних зрушень кольору - інтенсивність світла занадто мала. А ось при лазерних щільностях енергії ці ефекти проявляються у всій красі

Так само як і з робочим тілом, існує безліч нелінійних кристалів: KTP (титанів-фосфат калію, KTiOPO4), LBO (тріборат літію, LiB3O5) і безліч інших - все зі своїми плюсами і мінусами. У безперервних (CW) лазерах нелінійний кристал поміщають всередину резонатора, щоб домогтися більшої поляризації діелектрика за рахунок багаторазового проходження ІЧ-пучка через кристал і тим самим підвищуючи ефективність генерації другої гармоніки. Лазери такої конструкції називаються лазерами з внутрішньорезонаторними подвоєнням частоти (intracavity second harmonic generation). 

Всі DPSS лазери середньої потужності будуються за приблизно одній оптичній схемі:

LD - діод накачування, F - фокусуються лінза, HR - вхідне дзеркало (пропускає 808nm і відображає 1064nm), Nd: Cr - кристал, легований неодимом (на його праву за схемою поверхню напилю відбиває покриття для 532nm), KTP - нелінійний кристал, OC - вихідне дзеркало (відбиває 1064nm і пропускає все інше).

Дзеркала HR і OC утворюють півсферичний резонатор Фабрі-Перо. Дзеркало HR зазвичай намагаються зробити з максимальною здатністю, що відображає для довжини хвилі, що генерується лазером. Відображаючу здатність дзеркала OC вибирають так, щоб максимізувати ККД лазера: чим вище коефіцієнт посилення середовища (тобто чим менше проходів по кристалу з неодимом потрібно зробити пучку щоб досить посилитися), тим більший коефіцієнт пропускання.

Як видно зі схеми, єдиним елементом, який затримує випромінювання 808nm від лазерного діода, є кристал робочого тіла. Все, що він не зміг поглинути, проходить через дзеркала в вихідну апертуру. Тому після дзеркала OC зазвичай ставлять діхроічний фільтр, що відображає непоглинуте випромінювання накачки.

Наша місія

Разом з Вами ми працюємо над підвищенням ефективності Вашого бізнесу шляхом впровадження автоматизації технологічних процесів, застосування новітніх розробок в галузі виробництва та металообробки, використання передових інформаційних технологій та ІТ-рішень, забезпечення альтернативними джерелами живлення.

Підрозділи компанії

Створення систем автоматичного керування технологічними ...
Верстати з ЧПУ за індивідуальним проектом - це прекрасна ...
● токарні роботи (обробка зовнішніх поверхонь циліндричної, ...