Электротехнологические установки (стр. 26 из 32)

Электронно-лучевая сварка является одним из самых распространенных технологических применений элекронного луча. Ее производят с помощью тонкого пучка электронов, который фокусируется на стыке соединяемых деталей и нагревает их до плавления. Сварочный шов при электронно-лучевой сварке получается чистым и свободным от газов, оксидов и летучих примесей. Общее количество энергии, необходимое для расплавления материала, гораздо меньше, чем при других видах нагрева в процессе сварки. Это обусловлено высокой концентрацией энергии в фокусе электронного луча.

ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ (ЛАЗЕРЫ) 11.1. Основные принципы работы лазеров

Основой работы оптического квантового генератора (ОКГ) является генерирование монохроматических волн оптического диапазона под воздействием индуцированного (вынужденного) излучения.

Согласно законам квантовой механики энергия относительного движения любой системы связанных частиц не является произвольной, а принимает определенный ряд значений, которые называются уровнями энергии Е₀, Е_и Е₂ и

т. д. Весь набор допустимых значений энергий принято называть энергетическим спектром системы.

Электромагнитные волны любой частоты, в том числе и свет, представляют собой поток отдельных порций энергии - квантов или фотонов, энергия которых равна hν.

Согласно квантовой теории Эйнштейна процесс взаимодействия электромагнитных волн с веществом состоит из трех элементарных актов поглощения фотона, а также его спонтанного или индуцированного излучения. Если микрочастица находится в возбужденном состоянии, а ее энергия превышает минимально допустимое значение Е₀, то такое состояние не может сохраняться в течение значительного времени. Даже полностью изолированная от внешней среды возбужденная частица через некоторое время перейдет в состояние с меньшей энергией, при этом переходе она испускает фотон. Такой переход называют самопроизвольным или спонтанным излучением. Спонтанное излучение носит шумоподобный характер. Отдельные акты спонтанного излучения различными частицами происходят случайно. Момент излучения кванта каждой из возбужденных частиц, направление его движения и поляризация не связаны с актами испускания квантов другими такими же частицами. Все традиционные источники света (нагретые тела, плазма газовых разрядов) дают спонтанно излучаемый свет.

Иначе происходит процесс индуцированного излучения. Если возбужденная частица находится под воздействием внешних электромагнитных волн резонансной частоты, то она может перейти в состояние с меньшей энергией. При этом она испускает квант, не отличимый от приходящих извне, т. е. имеющий такую же частоту, поляризацию и направление распространения. Вероятность испускания индуцированного излучения пропорциональна интенсивности внешнего излучения - числу квантов в единицу времени. Фаза возникающих при индуцированных переходах электромагнитных волн строго согласована с фазой внешних волн. Поток индуцированного излучения отличается от первичного только возросшей интенсивностью.

Однако в любой находящейся в термодинамическом равновесии или вблизи его колонии частиц заселенности более высоких уровней энергии меньше заселенности уровней, расположенных ниже. Поэтому процессы поглощения квантов происходят чаще, чем индуцированное излучение. По этой же причине электромагнитные волны резонансной частоты взаимодействуя с такими частицами, рассеивают свою энергию и затухают.

Чтобы индуцированное излучение преобладало над поглощением, необходимо за счет внешних сил вывести систему частиц из состояния термодинамического равновесия. При этом за счет внешнего источника энергии создается более высокая заселенность одного из возбужденных состояний, чем заселенность хотя бы одного из состояний с меньшей энергией, т. е. создается инверсная заселенность в системе микрочастиц. И лишь в этом случае состоящая из таких частиц среда становится активной, т. е. способной усиливать волны резонансной частоты.

Рис. 11.1

Принципиальная схема лазера с рубиновым стержнем

В любом ОКГ используется явление индуцированного излучения среды, поддерживаемой в состоянии с инверсной заселенностью уровней за счет работы стороннего источника энергии. Принцип работы ОКГ рассмотрим на примере конструкции лазера с рубиновым стержнем (рис. 11.1).

Синтетический рубиновый стержень представляет собой плавленый оксид алюминия с добавкой (0,04-0,05 %) атомов трехвалентного хрома.

Атомы хрома, находящиеся в состоянии покоя на нижнем энергетическом уровне, под действием испускаемых импульсной лампой фотонов возбуждаются и переходят на более высокий энергетический уровень. Для изготовления лазеров подбирают такие вещества, атомы которых переходят из возбужденного состояния в основное не сразу, а через промежуточное метастабильное состояние. Атомы находятся в этом состоянии до тех пор, пока они не будут вынуждены перейти в основное состояние. Длина волны излучаемого света при переходе из метастабильного состояния в основное равна длине волны света, благодаря которому этот переход стал возможен. В лазерах достаточно лишь одному атому перейти из метастабильного состояния в основное и испустить при этом фотон, как это стимулирует такой же переход других атомов.

Весь процесс излучения света лазером происходит в два этапа, как показано на энергетической диаграмме (рис. 11.2). Три горизонтальных линии на этом рисунке соответствуют трем энергетическим уровням системы, а стрелками обозначены возможные переходы между ними. Нижний уровень соответствует основному состоянию атома: верхний - возбужденному, а средний - метастабильному.

Если подействовать на находящиеся в метастабильном состоянии атомы квантами световой энергии, частота которых равна частоте перехода из метастабильного состояния в основное, то атомы мгновенно переходят в основное состояние, излучая при этом световую энергию.

Таким образом, метастабильное состояние атомов является определяющим в работе лазера. Процесс перевода атомов в метастабильное состояние осуществляется с помощью подсветки разрядной трубки и представляет собой процесс заселения метастабильного уровня.

При вспышке разрядной трубки, подключенной к источнику питания, возбуждается активный элемент - рубиновый стержень. Возникший в нем луч усиливается, многократно отразившись от световых экранов, и выходит через поверхность, частично отражающую свет, в виде когерентного светового излучения. Когерентным называют излучение с одной частотой, одним направлением и с одинаковыми фазами или постоянной разностью фаз. Основные процессы, происходящие в активном веществе лазера, при его освещении импульсной вспышкой показаны на рис. 11.3. Находящиеся в невозбужденном состоянии атомы хрома (на рисунке они показаны черными точками) под действием фотонов (стрелки на рисунке) переходят в возбужденное состояние (белые точки) (рис. 11.3, а). После поглощения импульса света возбужденные атомы хрома переходят на более низкий уровень, излучая при этом избыток энергии в форме электромагнитных колебаний, в том числе и в видимой области спектра.

Часть излучаемой атомами энергии рассеивается наружу через стенки стержня (рис. 11.3, б). Другая часть, направленная в виде фотонов параллельно оси стержня (рис. 11.3, б-г), по пути своего движения вызывает цепную реакцию образования новых фотонов за счет взаимодействия с находящимися в стержне возбужденными атомами. Возникший поток световой энергии многократно отражается от отражателей на концах рубинового стержня, лавинообразно нарастает при каждом отражении и в конечном счете в виде мощного светового луча выходит из торца стержня в том месте, где отражатель имеет меньшую толщину (штриховка на рис. 11.3). Если теперь на пути этого светового потока поставить линзу, то всю энергию потока можно сфокусировать на очень маленькой площади.

Наименьший теоретически возможный диаметр площадки, на которой можно сфокусировать монохроматическое излучение, равен длине его волны λ при условии, что диаметр входного отверстия объектива В = 2,26F, где F - фокусное расстояние.

11.2. Типы оптических квантовых генераторов

Любой ОКГ независимо от конструктивного выполнения содержит следующие основные элементы: 1) рабочее тело, состоящее из ансамбля атомов или молекул, для которых может быть создана инверсия заселенностей; 2) систему, позволяющую осуществлять инверсию (ее обычно называют системой накачки); 3) оптический резонатор; 4) устройство для вывода энергии из резонатора; 5) систему управления концентрацией энергии и пространственным положением полученного пучка света; 6) различные специальные системы, связанные с конкретным применением ОКГ.

Для инверсии населенности в ОКГ применяют следующие виды накачки: а) оптическую - за счет облучения вещества мощным световым потоком; б) электрическую, осуществляемую при прохождении через вещество электрического тока; в) химическую, когда инверсия возникает за счет химической реакции, в которой принимает участие рабочее вещество, и т. д.

В зависимости от режима работы ОКГ различают устройства, работающие в непрерывном и импульсно-периодическом режимах. Существующие лазеры по роду материалов, используемых для получения индуцированного излучения, подразделяют на четыре основных типа: твердотельные с оптическим возбуждением, полупроводниковые (инжекционные), жидкостные и газовые (рис. 11.4).