Proprietăți unice ale radiației laser. laser rubin
Un generator cuantic optic este format din două părți principale: un mediu activ și un rezonator.
La primele lasere, mediul activ era un cristal de rubin cu o impuritate de aproximativ 0,05% crom (Fig. 104). Acest element laser principal are de obicei forma unui cilindru cu un diametru de 0,4-2 cm și o lungime de 3-20 cm.Capetele cilindrului 3 și 4 sunt strict paralele, iar pe ele se depune un strat de argint. Una dintre suprafețele oglinzii este parțial transparentă: 92% flux luminos se reflectă din ea și se transmite aproximativ 8% de către acesta.
De atunci, au existat aplicații pentru sursele de fascicul laser. Lipirea cu laser devine o modalitate populară de a îmbina firele componente electronice prin găurile din plăcile de circuite imprimate. A fost dezvoltat un proces de sudare cu pornire cu laser. Adăugarea de gaz activ schimbă direcția fluxului de metal în bazinul de sudură și produce o sudură mai îngustă de înaltă calitate. Folosind carburi de siliciu încorporate în suprafețele polimerice, laserul este capabil să topească materialul, lăsând o linie de legătură aproape invizibilă.
Demonstrație de sudare cu laser
Un laser poate fi comparat cu un fascicul de lumină solară pentru sudare. Raza laser poate fi focalizată și direcționată. lentile optice speciale și oglinzi. Poate lucra la o distanță considerabilă de piesa de prelucrat. Când utilizați un fascicul laser pentru sudarea electromagnetică. radiația cade pe suprafața metalului de bază cu astfel de. concentrația de energie la care temperatura suprafeței se topește. abur și topește metalul de dedesubt. Una dintre întrebările originale referitoare la utilizarea laserului a fost posibilitatea de reflexie. metal, astfel încât fasciculul să fie reflectat mai degrabă decât încălzirea bazei. metal.
Tija de rubin este plasată în interiorul unei lămpi spiralate cu xenon pulsat 2, alimentată de impulsuri tensiune înaltă de la o baterie de condensatoare cu capacitate electrică la o baterie încărcată până la o tensiune de câteva mii de volți. Când sunt descărcați printr-o lampă, condensatorii bateriei eliberează sute de mii de jouli de energie. Durata blițului este , iar puterea lămpii depășește 107 wați. Lampa este o sursă de radiații excitante. Inversarea populației a nivelurilor în rubin este creată prin utilizarea a trei niveluri de energie ale atomilor de crom.
S-a constatat însă că atunci când metalul se ridică până la el. punctul de topire, condițiile de suprafață au un efect redus. Distanța de la cavitatea optică la metalul de bază este mică. efect asupra laserului. Fascicul laser este coerent și puternic divergent. puțin. Poate fi concentrat pe spațiul potrivit atunci când lucrați cu el. aceeași cantitate de energie, indiferent dacă este aproape sau departe.
În timpul sudării cu laser, metalul topit capătă un caracter radial. configurație similară sudării cu arc de convecție. Cu toate acestea, atunci când densitatea de putere crește peste un anumit nivel de prag, are loc o deblocare. ca și în cazul sudării cu arc cu plasmă. Acest lucru oferă un raport mare adâncime-lățime. În unele aplicații se utilizează un gaz inert. protejați metalul topit de atmosferă. Vaporii de metal care pot apărea pot distruge gazul de protecție și pot crea o plasmă. o zonă de intensitate mare a radiațiilor chiar deasupra suprafeței metalice.
Atomi de crom, care absorb radiații cu o lungime de undă de 560 nm, conținute în spectru lampă cu xenon, trec de la nivelul solului la nivelul excitat Ruby absorbția radiațiilor de la o lampă cu
alte lungimi de undă îl determină să se încălzească. Pentru a proteja împotriva distrugerii termice, rubinul este răcit cu azot lichid.
Plasma absoarbe energie din fasciculul laser și poate bloca de fapt fasciculul și. reduce topirea. Utilizarea unui jet de gaz inert direcționat de-a lungul suprafeței metalice. elimină acumularea de plasmă și protejează suprafața de. atmosfera. Caracteristicile de sudare ale laserului și fasciculului de electroni. asemănătoare. Concentrația de energie a ambelor fascicule este similară. în plus, laserul are o densitate de putere de ordinul a 106 wați. pe centimetru pătrat. Doar densitatea de putere a fasciculului de electroni. Un pic mai mult. Aceasta se compară cu o densitate de curent de doar 104 wați pe centimetru pătrat pentru sudarea cu arc.
Durata de viață a atomilor de crom la un nivel excitat este scurtă. Pentru trecerea de la nivel la cel principal, este , iar pentru trecere este mai mică de c. Prin urmare, majoritatea atomilor excitați la nivelul fac tranziții la al doilea nivel excitat
Durata de viață a unui atom de crom la un nivel este relativ lungă, de ordinul s. Acest nivel este metastabil: dacă puterea lămpii este suficient de mare, atunci populația nivelului metastabil va fi mai mare decât populația de la nivelul solului. Când se atinge inversiunea populației a nivelurilor, cristalul de rubin devine un mediu activ.
Sudarea cu fascicul laser are o diferență mare de temperatură. între metalul topit și metalul de bază imediat adiacent sudurii. Ratele de încălzire și răcire sunt mult mai mari la sudarea cu fascicul laser. decât sudarea cu arc, iar zonele afectate de căldură sunt mult mai mici. Ratele rapide de răcire pot crea probleme, cum ar fi fisurarea cu conținut ridicat de carbon. deveni.
Indică lucru experimental cu procesul de sudare cu fascicul laser. că factorii normali controlează sudarea. Penetrarea maximă are loc atunci când fasciculul este focalizat ușor sub suprafață. Penetrarea este mai mică atunci când fasciculul este focalizat pe suprafață sau adânc în suprafață. Pe măsură ce puterea crește, crește adâncimea de penetrare.
Procesul de transfer al atomilor din starea fundamentală în starea excitată se numește pompare. Prin urmare, lampa cu xenon flash folosită în acest scop se numește lampă cu pompă.
Este suficient ca un atom de crom să facă o tranziție spontană de la nivelul metastabil la cel principal cu emisia unui foton cu o frecvență care corespunde lungimii de undă a luminii roșii de 694,3 nm, pe măsură ce apare o avalanșă de fotoni, cauzată de emisie indusă de atomi de crom în stare metastabilă. Dacă direcția de evacuare a fotonului primar a fost perpendiculară pe planul oglinzilor rezonatorului, atunci radiația monocromatică, coerentă și foarte direcționată cu o lungime de undă de 694,3 nm scapă din oglinda semitransparentă a rezonatorului.
Se desfășoară la niveluri mai mici de energie, formând o pepiță de sudare largă și mică. Încălzire directă: fluxul de căldură este determinat de conductibilitatea termică clasică de la sursa de căldură de suprafață. Cerneala absoarbe energia fasciculului laser care este condusă într-o grosime limitată a materialului înconjurător pentru a forma o peliculă interstrat topită care se solidifică ca o îmbinare sudată. Sudurile cap la cap pot fi realizate prin direcționarea energiei către linia de îmbinare într-un unghi prin materialul de pe o parte a îmbinării sau de la un capăt dacă materialul este foarte transmisiv.
- Sudarea se realizează prin topirea părților din materialul de bază.
- Cerneala absorbantă este plasată pe suprafața articulației.
Procesele care au loc într-un cristal de rubin sunt prezentate schematic în Figura V a insertului de culoare.
Cristalul de rubin este reprezentat pe această inserție ca un dreptunghi; hașura din stânga indică o oglindă; umbrirea mai rară din dreapta indică o oglindă parțial transparentă, care este și fereastra de ieșire pentru fasciculul laser. Atomii rețelei cristaline de rubin nu sunt prezentați în figură; cercurile denotă atomi de crom distribuiți aleatoriu în interiorul cristalului.
În acest tip de sudare, lumina laser formează un filament de material vaporizat, cunoscut sub numele de „gaura cheii”, care se extinde în material și permite o alimentare eficientă. radiatii laserîn material. Aplicarea directă a energiei pe material nu se bazează pe conductivitate pentru a obține pătrunderea, astfel încât minimizează căldura din material și reduce zona expusă la căldură.
Laserul creează o gaură care este sigilată cu material topit în spatele laserului. Rezultatul se numește gaura cheii. Raza laser a fost folosită pentru sudare. Oțeluri carbon Oțeluri slab aliate de înaltă rezistență aluminiu oțel inoxidabil titan. Sudurile cu laser realizate din aceste materiale sunt similare ca calitate cu sudurile. materiale cu fascicul de electroni.
Înainte de expunerea la lumină, toți atomii de crom din cristal sunt în starea fundamentală, ei sunt indicați prin cercuri luminoase (vezi Fig. V, a pe insertul color). Sub influența fotonilor luminii de diferite frecvențe emiși de lampa pompei, majoritatea atomilor de crom trec într-o stare metastabilă excitată. Atomii de crom excitați sunt indicați prin cearcăne (vezi Fig. V, b pe insertul de culoare).
Schema de sudare cu laser cu arc
Sudarea metalelor diferite. Nu sunt necesare umpluturi. Nu este nevoie de finisaje suplimentare. Extrem de precis. Produce suduri adânci și înguste Deformare redusă în suduri Suduri de înaltă calitate Componente mici și subțiri sudate Fără contact cu materialele.
- Funcționează fără dificultate cu metale înalt aliate.
- Poate fi folosit în aer liber.
- Poate fi transmis pe distanțe lungi cu pierderi minime de putere.
- Zona cu impact termic limitat.
- Putere generală scăzută de căldură.
- Vitezele rapide de răcire pot provoca crăparea unor metale.
- Costuri de capital ridicate pentru echipamente.
- Suprafețele optice ale laserului sunt ușor deteriorate.
- Costuri de operare ridicate.
Un atom de crom excitat emite un foton de lumină la trecerea la starea fundamentală. Toate destinatiile pentru emisie spontană fotonii sunt la fel de probabili și, prin urmare, la început, majoritatea fotonilor emiși părăsesc cristalul, zburând din el în direcții diferite. Doar fotoni care zboară de-a lungul axei
tija de rubin nu o poate părăsi rapid, experimentând reflexii multiple de la oglinzile de la capetele cristalului (vezi Fig. V, c pe insertul color). Zburând în apropierea atomilor de crom excitați, acești fotoni provoacă emisia stimulată a acelorași fotoni care zboară în aceeași direcție. Acest proces se dezvoltă ca o avalanșă și, într-un interval scurt de timp, majoritatea atomilor de crom excitați sunt implicați în el: un fascicul puternic de lumină coerentă scapă printr-o oglindă parțial transparentă de la capătul drept al cristalului (vezi Fig. V, d). pe insertul colorat).
Blocarea are loc numai pentru arcuri cu curent scăzut și, prin urmare, jet catod lent pentru curenți mai mici de 80A. Arcul se află pe aceeași parte a piesei de prelucrat ca și laserul, permițând o viteză de sudare de două ori mai mare pentru o creștere modestă a costului de capital.
Dacă sunt utilizate simultan două fascicule laser, este posibil să se controleze geometria sudurii și forma sudurii. Orificiul cheii poate fi apoi stabilizat, provocând mai puține valuri pe bazinul de sudură și îmbunătățind penetrarea și forma talonului.
În acest proces, fasciculul laser topește umplutura, care umezește marginile îmbinării fără a topi materialul de bază. Există mai multe universități care oferă certificare de sudare cu laser, cum ar fi Universitatea din Wisconsin-Madison. În acest caz, sunt oferite două certificate.
Modul de operare descris al laserului se numește modul de funcționare liberă. Funcționarea liberă începe după clipirea lămpii pompei și durează aproximativ 1 ms. În acest mod s-au obținut valori record ale energiei radiațiilor, ajungând la 1000 J per impuls la o putere de aproximativ W.
Eficiența unui laser cu rubin este scăzută: este de numai aproximativ 1%. O astfel de eficiență scăzută se datorează multor motive. Principalele sunt următoarele: nu toată energia electrică stocată în condensator este convertită în energie luminoasă; doar o parte din fluxul luminos al lămpii pompei este absorbită de rubin.
Vă sugerăm să consultați cursurile de pregătire pentru sudare din zona dvs., cum ar fi. Ann Arundel Ferris Community College Ohio State. . Această invenție se referă la generarea, amplificarea și utilizarea undelor electromagnetice în infraroșu, vizibil și. partea ultravioletă a spectrului și, mai precis, la lasere și sisteme laser. Un laser, acronim pentru amplificarea luminii prin emisie stimulată de radiație, este un dispozitiv capabil să genereze sau să amplifice lumină coerentă.
Principiul de funcționare este similar cu cel al unui maser și, prin urmare, este denumit și maser optic. Un efort considerabil a fost „răspândit în domeniile electronicii și fizicii în încercări de a genera sau amplifica lumina coerentă”. Astfel, ca și în cazul frecvențelor radio sau cu microunde, o cantitate mare de energie poate fi concentrată la sau aproape de o singură frecvență și utilizată în tehnici similare celor aplicate la frecvențele radio. Metodele convenționale de generare sau amplificare a undelor electromagnetice, inclusiv tehnicile maser cu microunde, nu pot fi utile pentru frecvențele optice, deoarece astfel de metode necesită componente precum cavitățile maser pentru a suporta oscilațiile undelor, care trebuie să aibă dimensiuni fizice de ordinul unei lungimi de undă.
Unul dintre primele generatoare de lumină coerente care funcționează conform unei scheme pe trei niveluri cu un corp solid ca mediu de amplificare activ a fost creat în 1960. Rubinul este ingredientul activ. Acesta este un oxid în care unii dintre atomi sunt înlocuiți cu. Substanța activă din rubin sunt ionii de crom. Culoarea rubinului depinde de conținutul de crom. De obicei crom în rubin. Lungimea tijei de rubin este luată în cm, vezi diametrul (Fig. 7.)
Evident, astfel de componente nu pot fi nici produse, nici utilizate în mod semnificativ la frecvențe optice unde lungimile de undă sunt de ordinul dimensiunilor atomice. Când încercați să utilizați cavități care au dimensiuni corespunzătoare unui număr mare de lungimi de undă, sunt acceptate multe moduri, coerența se deteriorează și sunt necesare surse de putere a pompei nerealizabil de mari.
Astfel de dispozitive propuse cu stare de gaz sunt de mare interes pentru modelele sale teoretice și reprezintă un progres academic semnificativ, cu toate acestea, nu s-a demonstrat că nu oferă nicio generare sau amplificare a luminii. În plus, structura sistemelor de gaz este complexă și necesită menținerea presiunilor și temperaturilor critice de vapori. Impuritățile din gaze reprezintă o altă problemă foarte serioasă. Distanța interatomică a unui gaz limitează sever eficiența cuplarii dintre emisia stimulată și o undă coerentă care se propagă prin mediu.
Schema unui laser rubin.
Rubinul este pompat de o lampă cu xenon care funcționează în modul pulsat. Pentru s, lampa consumă câteva mii de jouli de energie. Radiația puternică de la o lampă cu xenon transferă ionii din stare într-o bandă largă (Fig. 8).
De la acest nivel, ei trec spontan și neradiativ în starea 2. Durata de viață a acestui nivel este lungă. Acesta este nivelul metastabil. Aici se acumulează un număr mare de atomi. Nivelul 2 se dovedește a fi populat invers față de nivelul 1. Apariția inversării nivelurilor 2 și 1 este promovată de probabilitatea scăzută a tranzițiilor spontane ale ionilor de la nivelul 2 la nivelul 1. Este suficient ca unul dintre ionii de crom să treceți de la starea 2 la starea 1 și începe un proces asemănător unei avalanșe de generare a laserului. Lungimea de undă a fasciculului laser pentru un rubin este de 694,3 nm. Efectul de amplificare a luminii bazat pe tranziții induse poate fi crescut prin trecerea repetată a luminii care urmează să fie amplificată prin același strat mediu de câștig. Pentru a face acest lucru, capetele rubinului sunt făcute în oglindă. Luați în considerare un foton care se mișcă paralel cu axa cristalului. Dă naștere unei avalanșe de fotoni care zboară în aceeași direcție. O parte din această avalanșă va trece parțial prin oglinda translucidă, iar o parte va fi reflectată și va crește în mediul activ. Când avalanșa de fotoni ajunge în oglinda opacă, aceasta va fi reflectată și se va mișca din nou ca fotonul de semințe original, transferând toți atomii noi de la la . Distanța dintre oglinzi. Lungimea de undă va fi amplificată pentru care este îndeplinită condiția, unde este un număr întreg, este calea pe care unda o parcurge între două reflexii. Apoi undele reflectate și cele care se deplasează vor fi în aceeași fază, iar atunci când sunt adăugate, amplitudinea undei rezultate va crește brusc. Lungimile de undă rămase care nu îndeplinesc condiția se vor stinge. Undele care nu sunt paralele cu axa cristalului vor ieși prin fețele laterale. Fluxul devine strict dirijat monocromatic. Când puterea fasciculului ajunge la , acesta izbucnește printr-o oglindă translucidă.
În plus, frecvența de funcționare a oricărui dat laser cu gaz poate fi reglat eficient doar de efectele Stark sau Zeeman, care pot oferi doar un interval de reglaj de aproximativ 5 până la 10 cicluri pe secundă. În plus, proiectarea celulei de gaz este extrem de importantă prin aceea că plăcile de capăt trebuie să fie foarte reflectorizante și perfect paralele pentru a obține numeroasele reflexii necesare datorită materialului gazos de densitate scăzută.
Un alt obiectiv este de a oferi un laser care este mecanic stabil și necritic. Un alt obiectiv este crearea unui laser care funcționează la temperatura camerei sau la temperaturi criogenice pentru un plus de simplitate și o flexibilitate și mai mare în parametrii de proiectare.
