Газовые лазеры: высокоэффективные и мощные лазерные установки для различных сфер применения

Основным рабочим компонентом любого лазерного устройства является так называемая активная среда. Она не только выступает источником направленного потока, но и в некоторых вариантах может значительно его усиливать. Именно такой особенностью и обладают газовые смеси, выступающие активным веществом в лазерных установках. При этом существуют разные модели подобных устройств, отличающихся и конструкцией, и характеристиками рабочей среды. Так или иначе, газовый лазер имеет немало преимуществ, которые позволили ему занять прочное место в арсенале многих промышленных предприятий.

Особенности действия газовой среды

Традиционно лазеры ассоциируются с твердотельными и жидкостными средами, способствующими формированию светового луча с необходимыми рабочими характеристиками. При этом газ имеет преимущества в виде однородности и небольшой плотности. Эти качества позволяют лазерному потоку не искажаться, не терять энергию и не рассеиваться. Также газовый лазер отличается увеличенной направленностью излучения, предел которой определяет только дифракция света. По сравнению с твердыми телами взаимодействие частиц газа происходит исключительно при соударениях в условиях теплового перемещения. В результате энергетический спектр наполнителя соответствует энергетическому уровню каждой частицы по отдельности.

Устройство газовых лазеров

Классическое устройство таких аппаратов формируется герметичной трубкой с газообразной функциональной средой, а также оптическим резонатором. Разрядная трубка обычно выполняется из корундовой керамики. Ее размещают между отражающей призмой и зеркалом на бериллиевом цилиндре. Разряд производится в двух секциях с общим катодом при постоянном токе. Оксиднотанталовые холодные катоды чаще всего разделяют на две части посредством диэлектрической прокладки, которая обеспечивает однородность распределения токов. Также устройство газового лазера предусматривает наличие анодов – их функцию выполняет нержавеющая сталь, представленная в виде вакуумных сильфонов. Эти элементы обеспечивают подвижное соединение трубок, призмы и держателей зеркала.

Принцип работы

Для наполнения энергией активного тела в газе применяются электрические разряды, которые вырабатываются электродами в полости трубки прибора. В процессе соударения электронов с газовыми частицами происходит их возбуждение. Таким образом создается основа для излучения фотонов. Вынужденное испускание световых волн в трубке повышается в процессе их прохождении по газовой плазме. Выставленные зеркала на торцах цилиндра создают основу для преимущественного направления светового потока. Полупрозрачное зеркало, которым снабжается газовый лазер, отбирает из направленного луча долю фотонов, а остальная их часть отражается внутрь трубки, поддерживая функцию излучения.

Характеристики

Внутренний диаметр разрядной трубки обычно составляет 1,5 мм. Диаметр оксиднотанталового катода может достигать 48 мм при длине элемента 51 мм. При этом конструкция работает под действием постоянного тока с напряжением 1000 В. В гелий-неоновых лазерах мощность излучения небольшая и, как правило, исчисляется в десятых долях Вт.

Модели на углекислом газе предполагают использование трубок диаметром от 2 до 10 см. Примечательно, что газовый лазер, работающий в непрерывном режиме, обладает очень высокой мощностью. С точки зрения эксплуатационной эффективности, этот фактор иногда идет в плюс, однако для поддержания стабильной функции таких приборов требуются долговечные и надежные зеркала с повышенными оптическими свойствами. Как правило, технологи используют металлические и сапфировые элементы с обработкой золотом.

Разновидности лазеров

Основная классификация подразумевает разделение таких лазеров по типу газовой смеси. Уже упоминались особенности моделей на углекислом активном теле, но также распространены ионные, гелий-неоновые и химические среды. Для изготовления конструкции прибора ионные газовые лазеры требуют применения материалов с высокой теплопроводностью. В частности, используются металлокерамические элементы и детали на основе бериллиевой керамики. Гелий-неоновые среды могут работать на разных длинах волн по инфракрасному излучению и в спектре видимого света. Зеркала резонатора таких аппаратов отличаются наличием многослойных диэлектрических покрытий.

Химические лазеры представляют отдельную категорию газовых трубок. Они также предполагают использование в качестве рабочей среды газовых смесей, но процесс образования светового излучения обеспечивается химической реакцией. То есть газ используется для химического возбуждения. Устройства такого типа выгодны тем, что в них возможен прямой переход химической энергии в электромагнитное излучение.

Применение газовых лазеров

Практически все лазеры такого типа отличаются высокой степенью надежности, долговечностью и доступной ценой. Эти факторы обусловили их широкое распространение в разных отраслях. К примеру, гелий-неоновые аппараты нашли применение в нивелировочных и юстировочных операциях, которые выполняются в шахтных работах, в кораблестроении, а также при строительстве различных сооружений. Кроме этого, характеристики гелий-неоновых лазеров подходят для использования в организации оптической связи, в разработке голографических материалов и квантовых гироскопов. Не стал исключением с точки зрения практической пользы и аргоновый газовый лазер, применение которого показывает эффективность в сфере обработки материалов. В частности, подобные устройства служат в качестве резчика твердых пород и металлов.

Отзывы о газовых лазерах

Если рассматривать лазеры с точки зрения выгодных эксплуатационных свойств, то многие пользователи отмечают высокую направленность и общее качество светового пучка. Такие характеристики можно объяснить малой долей оптических искажений независимо от температурных условий окружающей среды. Что касается недостатков, то для раскрытия потенциала газовых сред необходимо большое напряжение. Кроме того, гелий-неоновый газовый лазер и устройства, работающие на основе углекислых смесей, требуют подключения немалой электрической мощности. Но, как показывает практика, результат себя оправдывает. Применение находят и маломощные аппараты, и приборы с большим силовым потенциалом.

Заключение

Возможности газоразрядных смесей в плане их применения в лазерных установках пока еще недостаточно освоены. Тем не менее спрос на подобное оборудование давно и успешно растет, формируя соответствующую нишу и на рынке. Наибольшее распространение газовый лазер получил в промышленности. Его используют как инструмент для точечной и аккуратной резки твердотельных материалов. Но есть и факторы, сдерживающие распространение такого оборудования. Во-первых, это быстрый износ элементной основы, что сокращает долговечность приборов. Во-вторых, отмечаются высокие требования к обеспечению электрического разряда, необходимого для формирования луча.

Активная среда CО2-лазера – смесь углекислого газа CO2, гелия He и азота N2. Возбуждение смеси выполняется разными видами электрического разряда в газах. Длина волны излучения CО2-лазера — 10 мкм.

Газовый лазер представляет собой стеклянную трубку, заполненную газовой смесью низкого давления.

Перед началом работы производится поджиг — молекулы газа ионизуются высоковольтным импульсом.

Ионы переводит в возбужденное состояние постоянный электрический ток. Трубка помещена между двумя зеркалами — полностью отражающим и полупрозрачным, через которое выводится лазерное излучение. Первый газовый лазер на смеси гелия и неона построил в конце 1960 года американский физик А. Джаван.

Из-за наименьшей расходимости луча CО2-лазеры являются самыми универсальными, так как позволяют располагать источник излучения вдали от зоны обработки без снижения качества лазерного луча. Особенно это влияет при обработке неровных материалов. Эти лазеры используются в основном для резки и гравировки.

CО2-лазеры пригодны как для резки металлов, так и неметаллов, почти любых. Не рекомендуется использовать лазерную резку только для ряда материалов со сложной структурой — ДСП, бакелитовые фанеры, граниты. Однако для резки металлов нужен достаточно большой уровень мощности (от 500 Вт), а для резки цветных металлов — 1000 и более Ватт.

В настоящее время самыми компактными и эффективными являются так называемые щелевые (slab) CО2-лазеры с накачкой высокочастотным разрядом. Такие лазеры, в отличие от других углекислотных лазеров, обеспечивают суперимпульсный режим излучения. Это значит, что световой поток не непрерывен, а состоит из импульсов с частотой 10-20 кГц, так что при средней мощности, например, 500 Вт мощность в импульсе составляет 1000-1500 Вт. При резке металлов это очень важно, так как уменьшается ширина реза, улучшается качество и снижается порог начала резки.

Импульсные лазеры режут с высоким качеством не только сталь и титан, но и алюминиевые сплавы. Возможна резка и сплавов на медной основе, но здесь эффективность очень сильно зависит от химического состава.

Лазерное оборудование широко используется в различных сферах деятельности человека, в том числе в промышленности, медицине, науке и образовании. Особую нишу занимают газовые лазеры – устройства, особенностью которых является использование газообразного вещества в качестве активной среды. Впервые они были созданы человеком около 60-ти лет назад. С тех пор такие приборы квантовой электроники прошли сложный путь эволюции и совершенствования, что позволило повысить их коэффициент полезного действия и безопасность в применении.

Если говорить о разновидностях лазерных установок, в которых в качестве активной среды применяется вещество, находящееся в газообразном состоянии, то в первую очередь к ним следует отнести химические газовые лазеры. В них основным источником получения энергии являются особые химические реакции, которые возникают между составными компонентами такой среды. Подобные устройства обладают достаточно высокой мощностью, благодаря чему получили широкое распространение в сфере промышленности, где используются для резки металлов и перфорации особо прочных материалов.

Конечно, когда речь заходит о газовых лазерах, нельзя ни отметить и широко востребованные эксимерные модели. Такие приборы создают узконаправленный поток излучения в ультрафиолетовом спектре. Само их название происходит от слова «эксимер», обозначающего возбужденный димер – основной элемент рабочего тела такого лазера. Устройство эксимерного типа широко используется в сфере медицины, в первую очередь в хирургии и офтальмологии.

В чем заключается принцип работы газового лазера?

В качестве активной среды в таких лазерных установках выступает технический газ (вещество, которое находится в газообразном состоянии при естественных для него условиях) или же испарения химических элементов, к примеру, металлов. Кроме того, в некоторых случаях могут применяться и специальные смеси газообразных веществ. Особенностью газа, являющегося активной средой в таких лазерах, является то, что он обладает достаточно высокой оптической однородностью. Благодаря этому само качество излучения у лазерных приборов газового типа считается более высоким по сравнению с аналогичными типами таких устройств.

Принцип работы газового лазера заключается в том, что активная газообразная среда накачивается с применением возникающих в ней электрических разрядов. В итоге возникающая в процессе такого явления электроны сталкиваются с атомами технического газа или пара химического вещества, что приводит их в возбуждение и становится причиной излучения фотонов. Создаваемые же электромагнитное излучение усиливается, проходя сквозь плазму газа. Само же направление движения световых волн регулируется за счет использования оптических резонаторов.

Какие газовые лазеры являются наиболее популярными?

Особое распространение в наше время получил так называемый CO₂ лазер. В таком устройстве в качестве активной среды применяется особая смесь нескольких технических газов, а именно:

• диоксида углерода;
• гелия;
• азота N_2.

Длина волны электромагнитного излучения у такого прибора составляет около 10 микрометров. Внутреннее устройство газового лазера данного типа отличается простотой и надежностью. Его основным функциональным элементом является герметичная трубка, выполненная из стекла, а также оборудованная оптическими резонаторами. Она заполняется смесью газов низкого давления. При помощи высоковольтного импульса постоянного тока происходит ионизация молекул газа, что приводит к созданию узконаправленного электромагнитного излучения высокой мощности.

Современные лазерные установки, основанные на использовании углекислого газа (и его смесей с другими газообразными веществами), обладают наибольшей универсальностью. Благодаря очень малому показателю расходимости луча их можно устанавливать на достаточно большом расстоянии от обрабатываемой поверхности или предмета, в то время как само качество воздействия луча не снижается. Благодаря этой особенности газовые CO₂ лазеры часто используются для резки металлических изделий, а также создания сложных и высокоточных разрезов, гравировки и многого другого.

Уровень мощности данной лазерной установки (при необходимости резки металлов) должен достигать 500 ватт и более. А если же речь заходит об обработке поверхности изделий, выполненных из цветного металла или высокопрочного металлического сплава, то в этом случае мощность прибора должна быть не менее 1000 ватт. При выборе подходящей установки лазер способен прорезать стальной сплав или титан. Кроме того, создаваемый в процессе работы устройства луч отлично подходит и для работы с материалами, обладающими сложной структурой, например, гранитом или даже обычным ДСП.

Что представляют собой эксимерные смеси?

Это особые смеси технических газов, предназначенные для применения в установках эксимерных лазеров. К таким газовым продуктам относятся аргон, криптон, гелий, ксенон, водород и многие другие. В основном для получения эксимерной смеси используется определенное процентное соотношение инертного газового вещества и галогенов. При необходимости прочесть более подробно о применении и особенностях эксимерных газовых смесей вы можете здесь.

В чем заключаются преимущества газовых лазеров?

Среди основных достоинств таких лазерных установок следует выделить:

• высокую мощность и эффективность газовых лазеров (эта особенность позволяет использовать их в тяжелой промышленности и при выполнении сложных задач, например, в сфере лазерной резки металлов);
• невысокую стоимость оборудования и низкие затраты на его обслуживание;
• простоту и легкость в применении.

Конечно, огромную роль в работе газовых лазеров играют и сами технические газы, выступающие в качестве рабочей среды. Для достижения максимальной эффективности и получения высокого КПД специалисты рекомендуют использовать газы особой чистоты. При необходимости приобрести такие газовые продукты вы можете, обратившись к специалистам компании «ПРОМТЕХГАЗ». Ознакомиться с каталогом продукции предприятия вы можете по ссылкам http://www.propangaz.ru/?id=18 и http://www.propangaz.ru/?id=20.

Кроме того, рекомендуем вам прочесть об технологии глубокой очистки газов в нашей статье на тему «Почему особо чистые газы стоят дороже».

Используемые источники:

• https://fb.ru/article/251705/gazovyiy-lazer-opisanie-harakteristiki-printsip-deystviya
• http://www.metalform.ru/articles/lazer_types/gaz_lazer1
• http://xn--80affkvlgiu5a.xn--p1ai/gazovye-lazery-princip-raboty/