Вейко В.П. Технологические лазеры и лазерное излучение

Подождите немного. Документ загружается.

– 11 –

− самосинхронизация мод,

~10

−

фемтосекундные,

~10

−

τ с и аттосекундные,

~10

−

τ с им-

пульсы,

– N

, Cu, эксимерный лазер и тому подобные

− спектрально–люминисцентные свойства среды (самоограни-

ченные верхние переходы — малое время жизни на верхнем

уровне),

~10

−

– CO

, Ar — непрерывного действия — сканирование пучка или

движение (вращение) объекта со скоростью

ск

V .

Различные длительности импульса лазеров и

варианты их реализации

Таблица 4

Длительность

воздействия, с

Варианты реализации

(тип лазера, режим модуляции)

Миллисекунды, 10

–

Nd–YAG–лазер — режим свободной генера-

ции, импульсный СО

–лазер, сканирующий

СО

–лазер, сканирующий Nd–YAG–лазер, ска-

нирующий Ar–ion–лазер

Микросекунды, 10

–

Nd–YAG–лазер: акусто–оптическая модуляция,

электрооптическая модуляция, диодная накач-

ка. Импульсный СО

–лазер

Наносекунды, 10

–

Азотный лазер, лазер на парах меди, эксимер-

ные лазеры

Пикосекунды, 10

–

Nd–YAG–лазер: режим самосинхронизации

импульсов, эксимерные лазеры

Фемтосекунды, 10

–

Ti–сапфир–лазер: режим самосинхронизации

импульсов, эксимерные лазеры

Аттосекунды, 10

–

Ti–сапфир–лазер

– 12 –

4. Пространственные характеристики лазерного пучка.

Модовая структура излучения (TEMmn)

Рис.1. Модовая структура пучков некоторых низших порядков.

Угловая расходимость пучка

α= (14)

где α — полный угол расходимости луча,

— длина волны,

b —

характерный размер выходного окна лазера, ответственного за ди-

фракцию,

— коэффициент, отвечающий за распределение интен-

сивности в поперечном сечении луча.

Величины

b и

, и α для разных лазерных лучей приведены в

таблице 5.

Таблица 5

Тип лазерного

луча

Полный

угол

Комментарии

Одномодовый

(Гауссово рас-

пределение)

1.26

2Dw≈ ,

w —

радиус перетяж-

ки

Многомодовый

1.26

— число от-

дельных лучей в

поперечном се-

чении

Дифракционно–

ограниченный

2.44

D — диаметр

нулевого макси-

мума

– 13 –

— концепция качества лазерного пучка

Качество лазерного пучка часто характеризует отношением его

действительной (экспериментальной) расходимости

к расходимо-

сти того же лазера, если бы он излучал одномодовый Гауссовский

пучок,

α :

αα (15)

Как известно,

Г 0min

4wdα=λπ =λπ

(16)

где

w — диаметр пучка в перетяжке.

Покажем, как найти диаметр пучка в фокусе линзы через

Считая, что угол конусности пучка после линзы (угловая апертура)

равен:

лл

2Df

= (17)

получим минимальный размер пучка в фокусе линзы

min

d как:

min л

8dMfD=λπ (18)

Через

можно определить все основные пространственные па-

раметры лазерного пучка: диаметр пучка в любом сечении

z по пути

его распространения, радиус волнового фронта

R при любом z, Рэ-

леевский радиус пучка

R, глубина фокуса и размер сфокусированно-

го пучка.

Можно показать, что фактор

позволяет рассматривать реаль-

ный многомодовый пучок как одномодовый с модифицированной

длиной волны

Mλ= λ.

Инвариант Лагранжа–Гельмгольца.

Другой способ характеризации пространственно–геометрических

характеристик оптических пучков основан на использовании инва-

риана Лагранжа–Гельмгольца

J (рис. 2).

constDD J

′

α= α = =

(19)

– 14 –

1 2 3

Рис.2. Схема оптической системы, состоящей из функциональных

(1, 3) и согласующих (2) компонентов.

Чем меньше значение

, тем выше качество пучка.

Значения инварианта

для некоторых типов лазеров приведены

в таблице 6.

Таблица 6

Тип лазера

Световой

диаметр

D, мкм

Полный угол

расходимости

, rad

Инвариант

Лагранжа–

Гельмгольца

Замечания

для

мкм

Одномодовый

волоконный

лазер

10 0.1 1

равен

дифр.

пределу

Многомодовый

волоконный

лазер

200

400

0.2

далеко

от дифр.

предела

Полупроводни–

ковый лазер

100

1.04

0.12

10.4

далеко

от дифр.

предела

– 15 –

1.3. Характеристики «качества» излучения технологических ла-

зеров

5. Когерентность лазерного излучения

Когерентность характеризуется тем, что колебания электромаг-

нитного поля лазерного излучения имеют постоянный во времени

сдвиг фазы для двух произвольных точек пучка, что означает также

неизменность формы волнового фронта (во времени). Выделяют вре-

менную и пространственную когерентность. Временная — для излу-

чения из одной и той же точки при наличии разности длин оптиче

ского хода, пространственная — при рассмотрении фазовых свойств

излучения из разных точек поперечного сечения пучка. Временная

когерентность определяет монохроматичность, пространственная —

направленность излучения.

В реальных условиях фаза и частота колебаний не остаются стро-

го постоянными, т.е. степень когерентности

≠

. Экспериментально

ее можно характеризовать контрастностью интерференционной кар-

тины

Φ в результате расщепления лазерного пучка на две части и по-

следующего их сложения после прохождения оптических путей раз-

личной длины:

max min

−

Φ=

(20)

В случае хаотического изменения сдвига фаз

max min

, интерфе-

ренционная картина отсутствует и

ни

= . При полной когерентно-

сти излучения

min

0I = и

1Φ=.

Строго говоря, в конечном счете, время и область существования

когерентности лазерного излучения ограничены конечной спектраль-

ной шириной линии генерации (усиления)

ν , когда в течение вре-

мени τ могут излучаться разные

в пределах

люм

. Действительно,

если электромагнитные колебания представить в виде

() () ( )

(

)

cos 2 ,

rt E r t r t=πν+ϕ

GG G

, то максимальное изменение относи-

тельной фазы

()

,rtϕ

синхронных в момент времени 0t = колебаний

(с частотами, отличающимися на

ν ) будет возрастать со временем

до

2 tΔϕ ≈ πΔν , и станет равным максимуму 2

через время

– 16 –

ког

t =τ =

Δν

ког

τ=

(21)

Это характерное время, в течение которого возможный сдвиг фа-

зы колебаний, лежащих в пределах ширины линии излучения, дости-

гает максимальной величины, называется временем когерентности.

Расстояние, на которое за это время распространяется излучение, на-

зывают длиной когерентности

ког

L :

ког ког

Lc=τ =

(22)

В течение этого времени

ког

и в пределах этого расстояния

ког

излучение «помнит» о синхронности колебаний на выходе из резона-

тора. Значения

ког

меняются в широком диапазоне для разных

типов лазеров. В газовых лазерах, где мала

10 10Δν = − Гц,

ког

10 10

−−

τ= − c и

ког

10 10L =− см соответственно. В твердотель-

ных лазерах, где излучается большое число продольных мод,

~10Δν Гц и

ког

−

τ= с,

ког

310L

−

=⋅ м.

На высокой степени (временной) когерентности основано ис-

пользование лазерного излучения в измерительной технике — длин,

углов, скоростей, малых перемещений, для передачи информации на

оптических частотах и т.п.

Роль когерентности в лазерной обработке материалов

1. Взаимодействие когерентного излучения с поверхностью твер-

дого тела может сопровождаться (в среде с комплексным показателем

преломления — т.е. с поглощением) возникновением поверхностной

электромагнитной волны (ПЭВ), интерферирующей с падающей, что

приводит к изменению энергетики процесса и к образованию перио-

дических поверхностных структур (ППС).

Рис.3. Периодическая структура,

образовавшаяся на поверхности

кремния, под действием

одиночного импульса излучения

Nd:YAG лазера длительностью

= мс,

0.7 10q

⋅ Вт/см

– 17 –

2. В последнее время все чаще применяются многолучевые или

многоканальные системы, представляющие из себя набор 10–100

пространственно разнесенных лазеров, параллельные пучки которых

собираются в одно пятно с помощью фокусирующих систем. Это ха-

рактерно для полупроводниковых линеек и матриц, для многолуче-

вых СО

–лазеров и т.д. При сложении двух гармонических колебаний

с одинаковой частотой (световой) и произвольными амплитудами на-

пряженности электромагнитного поля

и фазами

ϕϕ

образу-

ются гармонические колебания той же частоты с амплитудой и фазой

()

222

12 12 12

2cosEEE EE=++ ϕ−ϕ.

Поэтому, если сдвиг фаз

(

)

−ϕ случайный (хаотически изме-

няющийся), суммарная интенсивность в пятне (

E ) определяется

с учетом

cos Δϕ и будет равна сумме интенсивностей всех источни-

ков (т.к.

()

cos ϕ−ϕ в среднем за период равен 0)

∑

или, счи-

тая

= , где

N — количество отдельных лазеров (кана-

лов) в системе (для двух пучков

1212

EEII I

+=+=).

Если же излучение на выходе каждого лазера когерентно, а отно-

сительный сдвиг фаз

0Δϕ = ϕ − ϕ = , то, как видно из уравнения

cos0 1

= ,

()

EEE

=+ , и напряженности полей складываются

арифметически, а не геометрически, т.е. складываются амплитуды

полей, т.е.

лi

ENE

∑

22 2

лл

NE NI

== — выигрыш в N раз

(для двух пучков

22 2

12 12

242EEE EE E I

=++ = =), т.е. когерентность

излучения непосредственно влияет на его интенсивность.

3. При передаче изображения роль когерентности неоднозначна:

различная частотно–контрастная характеристика (ЧКХ) для коге-

рентного и некогерентного света, большая зернистость изображения

и резко выраженные дифракционные явления, которые приводят к

образованием спеклов. В целом ее необходимо учитывать (может

быть и вредна) при передаче

изображения.

6. Монохроматичность излучения

Монохроматичность особенно важна для процессов лазерных из-

мерений, локации, связи, навигации, а также лазерной химии, разде-

ления изотопов, медицины, биологии и т.п., кроме того, для создания

– 18 –

оптических систем. Она характеризуется способностью лазеров излу-

чать в узком диапазоне длин волн и определяется соотношением

Mxp

(23)

где

Δν — спектральная ширина контура излучения лазера,

ν — цен-

тральная частота контура.

Практические значения

xp составляют от 10

–2

(эксимерный ла-

зер) до 10

–7

(He–Ne–лазер), при этом в лабораториях достигнуты зна-

чения

X ~ 10

–14

. Т.о.,

xp лазеров значительно превышает

других спектральных источников.

На понятии монохроматичности основаны определения спек-

тральной яркости лазеров:

Φ=

νΔΩ

(24)

где

Q Δν — спектральная плотность энергии, Q — плотность энер-

гии лазера,

ΔΩ — величина телесного угла расходимости излучения.

Очевидно, что спектральная яркость лазеров значительно превышает

спектральную яркость всех других источников (включая Солнце) и

т.п.

7. Поляризация излучения

Поляризацией в общем случае называется нарушение симметрии

векторов напряженности электрического и магнитного полей в попе-

речной световой волне. Поляризация, в частности, характеризует

ориентацию вектора электрического поля в электромагнитной волне.

Если вектор

колеблется вдоль одной линии в плоскости, перпенди-

кулярной

— линейная (плоская) поляризация. Если сложить два

линейно поляризованных пучка света при постоянном сдвиге фаз —

эллиптическая поляризация, если амплитуды их равны, а сдвиг фаз

— круговая.

Не поляризованный свет (не лазерный) может хаотически прини-

мать любую ориентацию вектора

в плоскости, перпендикулярной

Индуцированное излучение всегда имеет то же состояние поля-

ризации, что и стимулирующее. Так что для полностью когерентного

света была бы и полностью определена поляризация. Однако даже

– 19 –

теоретически время когерентности ~ 10

–12

с, а реально еще меньше,

так что только сверхкороткие импульсы поляризованы также, как вы-

нуждающий квант (т.е. все одинаково). Во всех остальных случаях

собственно поляризация вынужденного излучения определяется при-

родой активной среды и селектирующими свойствами резонатора по

отношению к поляризации. Первая причина важнее всего в анизо-

тропных веществах, к

которым относятся лазерные кристаллы (ру-

бин, ИАГ и др.).

При наклонном падении коэффициент отражения существенно

различается для света разной поляризации, что может повлиять на

эффективность технологических процессов, в которых наклонное от-

ражение излучения играет важную роль:

– лазерная резка толстых металлических материалов и сверление

глубоких отверстий, когда имеют место многократные отражения

от

стенок (т.к. угол Брюстера металлов

ϕ , то излучение с S–

поляризацией меньше поглощается при отражении и достигнет боль-

шей глубины),

– резка тонких пленок и слоев в зависимости от направления пе-

ремещения пучка при его различной поляризации.

Поляризация может также сказаться на явлениях, связанных с

возбуждением ПЭВ — эффективности энерговложения при наклон-

ных падениях пучка и образовании ППС.

Дополнительные требования

• Высокая однородность и стабильность параметров излучения

• Высокий КПД (эффективность)

• Приемлемые эксплуатационные характеристики:

− достаточный ресурс и надежность,

− простота конструкции и обслуживания,

− минимальный вес и размеры

• Экономическая эффективность

– 20 –

ХАРАКТЕРНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЛАЗЕРОВ

Таблица 7

Тип лазера Длина

волны

λ,

мкм

Энергия

в им-

пульсе

W, Дж

Длительность

им

пульса

τ, c

Частота

повтор.

импульсов

f, Гц

Мощность

(непр.)

P, Вт

Угловая рас-

ходимость

α, мрад

Эффек

тивность

(кпд)

η, %

Приме-чания

Nd–YAG, импульсный режим

Nd–YAG,

свободная

генерация

1.06 1 10

–

1–10 1–3

Nd–YAG,

акусто–

оптическая

Q–

модуляция

1.06 10

–

≤1

Nd–YAG,

электро

оптическая

Q–

модуляция

1.06 1 (10

–

–4

)

–

(10

–

) 10

(10

) 1

≤1

Nd–YAG,

диодная

накачка

1.06 10

–

–5

–

–8

1–10

1–5

Nd–YAG,

волоконного

типа

1.06

0.5 ⋅ 10

–

4 ⋅ 10

–

⋅

<1 >1

Nd–YAG, непрерывное излучение

Nd–YAG,

ламповая

накачка

1.06 10–2000 1–10 3 Доступ на

большая

мощность

Nd–YAG,

диодная

накачка

1.06 20–100 1–10 10 До 10 кВт в

исследованиях

Nd–YAG,

волоконный

— диодная

накачка

1.06 50–10000 1 10 До 10 кВт в

исследованиях