Лазеры. Устройство, принципы работы.

[nERV]

По просьбе товарища aftaev хочу поделиться своим небольшим опытом и знаниями относительно всяческих лазеров, которые можно применить для различной обработки материалов. В физику и тонкости вдаваться не буду, да и не "копенгаген" на столько, просто долгое время вожусь с лазерами в качестве хобби. Не теоретик, но практик, в меру.
Если найдутся компетентные специалисты да и просто люди с опытом - велкам. Прошу поправлять и дополнять.

Перед началом.
Немного о безопасности:
Излучение лазера может вызвать необратимые повреждения человеческого организма и даже смерть.
Неосторожное обращение с лазерами может помочь отправиться в места не столь отдаленные.
Существую сопутствующие опасности. Поражение электрическим током, воздействие высокой температуры, ядовитые газы, туманы и взвеси.
Будте осторожны, используйте защитные приспособления и одежду.

Начнем с типов лазеров. Простые, относительно доступные и пригодные для целей обработки, без экзотики в стиле рнгеновских лазеров и л. на свободных электронах.
1. Полупроводниковые лазеры.
2. Твердотельные лазеры
3. Газовые лазеры.
4. "Смежные" типы.

1. Полупроводниковые л.
Генерация излучения происходит в полупроводниковой структуре относительно небольшого размера, 10-50-500мкм и более. Возбуждение электрическим током, но это не правило, бывают и другие типы.
Лазеры, а точнее лазерные диоды встречаются кругом и всюду, практически у каждого в доме есть один или несколько в составе различной техники.
Для знакомства с особенностями лазеров этого типа применительно к нашей теме хватит лазера, выдранного из старого DWD-RW привода от компьютера. Получим выходную мощность порядка десятых долей ватта, длина волны излучения 650нм.
Этого лазера хватит для гравировки по темному пластику, древесине, резки тонких полимерных пленок. Схем подключения масса, в интернете можно найти подробную инструкцию по извлечению и подключению лазерных диодов из двд. Для пробы хватит батарейки или слабого источника питания.
К примеру: http://yandex.ru/yandsearch?clid=9582&t ... =ru&lr=195
В этом классе есть и более солидные устройства с выходной мощностью единицы, десятки и сотни ватт в непрерывном режиме. Такие лазеры уже способны резать тонкий листовой металл, плавить металл и полимеры, сваривать, закаливать.
К примеру,
http://www.youtube.com/watch?v=EbqJnS1AgPI
http://www.youtube.com/watch?v=6QPbPrZX2cc
Полупроводниковые лазеры довольно "жестоки" к своим пользователям, ошибок не прощают. Неправильный режим питания= смерть, перегрев= смерть, статика=...
Зачастую большую мощность излучения на одном кристалле полупроводника получить невозможно, тогда их объединяют в линейки, массивы, "Laser array" по буржуински.
Это дает прирост мощности, но также и создает проблемы с качеством излучения. Получить параллельный слаборасходящийся пучек излучения от таких конструкцио очень дорого и сложно. Требуется специальная оптика, простой лупой для чтения газет не обойтись. Асферические, цилиндрические линзы, стойкие к воздействию излучения материалы, просветляющие покрытия.
Еще факт - сфокусировать излучение в точку, имеющую размер меньше размера излучающей площадки лазера очень сложно, практически невозможно. Если она имеет размер 20х100мкм, то и пятно на заготовке после фокусировки будет такого же размера. От размера этого пятна, как можно догадаться, будет зависеть качество обработки и плотность мощности. Этот параметр и отвечает за "температуру" в зоне воздействия излучения.
Сейчас мощные лазерные модули и диоды можно купить на аукционе ebay или на подобных.Также как и источники питания для них, некоторую оптику.
Это будут скорее всего лазеры с длиной волны излучения 808нм, практически не видимым человеческим глазом.

[aftaev]

Здесь мои темки про лазеры
СО2 Мои станочки #6
Диоды Мощный лазерный диод #1

Нужно собрать лазер чтобы сталь резать хотябы 3мм Ну или копить на лазер IPG (ИЭР Полюс)

[nERV]

Доберемся и до стали

[aftaev]

Доберемся и до стали

список составляй шо нужно

[nERV]

2. Твердотельные лазеры.
Как видно из названия, излучение в этих лазерах возникает в твердых телах (почти как в полупроводниковых ). Рабочее тело такого лазера называется активный элемент, АЭ.
В качестве рабочих тел используются различные кристаллы с различным легированием, стекла и очень много что еще. Например, иттрий-алюминиевый гранат легированный неодимом (Nd:YAG), калий-гадолиниевый вольфрамат легированный неодимом (Nd:KGW), иттрий-алюминиевый гранат легированный эрбием (Er:YAG), искусственный рубин, искусственный сапфир.
Для возбуждения(накачки) лазерного излучения применяются всевозможные методы, например накачка излучением мощной лампы, накачка другим лазером. По типу работы подразделяются на импульсные и непрерывные.
Лазеры этого типа обладаю внушительными характеристиками, даже при небольших габаритах излучателя. Энергии излучения измеряются от нескольких миллиджоулей до десятком-сотен килоджоулей. Импульсные мощности бывают 10-20-100 МЕГАватт (самый мощный был вроде как 80*10 в 12 степени ватт ), средние мощности в пределах нескольких киловатт.
Так как лазеры этого типа имеют значительно большие габариты, нежели полупроводниковые, легко рассмотреть отдельные элементы и понять их назначение. ( Aftaev, тут надо внимательнее )
Рассмотрим устройство классического твердотельного лазера с ламповой накачкой.
Он состоит, в самом простом случае, из активного элемента, лампы накачки, зеркал резонатора, отражателя.

laser_construction.png (7.33 КБ) 15853 просмотра

Лампа накачки дает мощную вспышку(поток) света в определенной области спектра. Часть этого излучения проходит через АЭ, часть поглощается в нем и преобразуется в лазерное излучение. Л. излучение усиливается при помощи резонатора и выводится из него в виде параллельного монохроматичного(почти) и когерентного пучка оптического излучения.
Это на картинке, такую конструкцию лазеров никто и никогда не использует для технологических целей, разьве что для очень специфических задач.
Начнем с того, что в лампу вдувается энергия от 5-10дж до десятков и сотен килоджоулей. В лазерное излучение преобразуется лишь малая часть(0.5-7%), остальное идет куда? В нагрев, правильно. Эту прорву тепла нужно куда-то девать, поэтому применяют специальные технические ухищрения.
обычно лампа, отражатель и АЭ объединены в единый блок, называемый КВАНТРОН в российской терминологии, или pumping cawity у буржуев. Квантрон имеет каналы для протока охлаждающей жидкости, крепеж и прочие рюшечки и свистелки.

[aftaev]

Например, иттрий-алюминиевый гранат легированный неодимом (Nd:YAG),

это те лазеры у которых лампы пачками горят

[aftaev]

Можно это покупать http://www.ebay.com/itm/100W-QCW-808nm- ... 3f2b8fafe6
или это http://www.ebay.com/itm/Hobart-YAG-Lase ... 3f2b920d8b

[nERV]

Можно не переплачивать Имея производственные мощности многое можно изготовить самостоятельно.

это те лазеры у которых лампы пачками горят

Не совсем так, но близко. Ресурс лампы в среднем от 10-100 тысяч (у наших) до миллиона импульсов. Все зависит от режимов эксплуатации и качества изготовления.
Про лампы тема интересная.
Импортные лампы хороши, но они довольно дорогие. Наши лампы чуть хуже, но стоят сущие копейки. К примеру, ищем лампы perkin elmer на ебее и удивляемся ценам.
А вот наши лампы, ИФП-800, к примеру, одни из самых ходовых, стоит 100-1000руб, в зависимости от жадности продавца. Часто в оптовых количествах цена минимальна. Пусть себе горят, копеечные детали.
Итак, про лампы.
Для накачки твердотельных лазеров применяют мпульсные лампы с ксеноновой начинкой, либо непрыравные дуговые лампы с криптоновой, либо криптон-ксеноновой начинкой.
В общем случае лампа представляет из себя трубку из кварца заполненную газом при давлении 0.1-0.5атм с двумя электродами. Электроды ламп имеют определенный профиль для увеличения долговечности. Некоторые электроды ламп имеют в своем составе торий и немного радиоактивны. Это делается для облегчения зажигания разряда в лампе.
Рабочие токи импульсных ламп обычно лежат в пределах 50А-5000А. Время импульса тока по полувысоте 100мкс-10мс. В момент разряда температура внутри лампы достигает 8000 градусов, давление может подскакивать до сотен атмосфер. Естесственно, при таких нагрузкаж ресурс внутренних частей лампы довольно мал. Испаряются электроды из вольфрама, эти пары оседают на колбе лампы и ухудшают ее прозрачность, а значит и КПД. Испаряется и сам материал колбы лампы, и также оседает на внутренних частях лампы, что не способствует ее хорошей работе.
Для тт лазера (твердотельного) лампу можно подобрать исходя из следующий параметров:
Длина разрядного промежутка должна как можно точнее соответствовать длине активной части АЭ.
Диаметр разрядного канала должна соответствовать диаметру активной части АЭ.
В других случаях КПД будет ниже, ибо много издучения лампы будет проходить мимо АЭ.



Продолжим про твердотельные лазеры.
Вот квантрон, изготовленный по моим чертежам, хотя они все устроены практически одинаково.

Внуреннее устройство:

1. Лампа
2. АЭ
3. Отражатель.
Все это дело омывается дистиллированной водой через патрубки, расположенные рядом с электродами лампы, т.к они греются больше всего.

[nERV]

Мдя, два ночи уже, спать пойду

[aftaev]

Продолжим про твердотельные лазеры.

ждемс продолжения

[tooshka]

Продолжим про твердотельные лазеры.
Вот квантрон, изготовленный по моим чертежам, хотя они все устроены практически одинаково.

А куда лазерный лучь выскакивает?
Низкий тебе поклон добрый человек))) Давно этой темой интересуюсь, да все со спецами не сталкивался (которые еще и готовы поделиться знаниями).

[nERV]

До лазерного луча от квантрона еще далеко

В общем, наличие квантрона еще не гарантирует успех, т.к. это только небольшая часть лазерного излучателя. Купив на ебее неизвестный квантрон не стоит питать лишних иллюзий, это еще не лазер.
Во первых, в нем может нехватать некоторых деталей. Лампы, АЭ, отражателя.
Во вторых, всегда стоит искать доступные недостоющие части. Если их негде взять, то некомплектный квантрон будет бесполезен.
Если откинуть блок питания лазера, как несущественную деталь , то лазеру потребуется еще и резонатор. В простом случае это просто два плоскопараллельных зеркала.
В этой фразе с виду все понятно, но есть два очень существенных слова. Это "зеркала" и "плоскопараллельных".
Зеркала для мощных твердотельных лазеров выглядят совершенно иначе, чем мы представляем себе зеркало в своей голове Эти зеркала по устройству довольно сложны, изготовить их самостоятельно практически невозможно. Состоят из кварцевой/спецстекло подложки и нанесенных на нее специальных покрытий. С одной стороны отражающее покрытие, с другой - просветляющее, для полупрозрачных зеркал

У зеркала, кроме их геометрических размеров имеется еще несколько параметров, обычно это всё указывается на боковой грани зеркала карандашиком.
Греческой буквой "лямбда" обозначается длина волны, для которой предназначены эти зеркала. Отражательная способность именно на этой длине волны точно соответствует надписям, больше-меньше, уже пойдет разбег. Т.е зеркала с лямбдой 1060 отлично подойдет для ИАГ с неодимом с его 1064нм, для стекла с неодимом с его 1057нм, а вот для рубина с его 694нм уже не подойдет.

Греческой буквой "тау" обозначается коэффициент пропускания зеркала. Хотя иногда пишут и коэфф. отражения, но обозначается он другой буквой, уже не помню какой.

Зеркала с тау равным 0.1-1 называются "глухими", т.е полностью отражающими.
Коэфф. тау сильно влияет на параметры лазера и его суть вообще. Зеркала с небольшим тау, которые плохо пропускают излучение, применяются в непрерывных лазерах, накачиваемых дуговыми криптоновыми лампами. Значетие лежит в пределах 5-20.
Зеркала с тау 20-95 используются в импульсных лазерах. Чем больше тау, тем больше энергии может сгенерировать лазер. Т.е этим коэффициентом задается степень усиления в резонаторе. Для мощных лазеров с многокилоджоульной накачкой и огромными АЭ не требуется большое усиление, там и так достаточно энергии. Такие лазеры могут генерировать вообще без зеркал при некоторых условиях.

[romanru1]

Низкий поклон топикстартеру !
Ну и вопрос наверное ! - Возможно самому в " домашних" условиях вырастить кристалл АЭ , при этом никого не отравив , не спалив местную подстанцию,
не создавая давление 100000 Атм и т.п. ?
Или купить дешевле !

[PKM]

Зеркала для мощных твердотельных лазеров выглядят совершенно иначе

Надо же! Фото хотим!

[nERV]

Возможно самому в " домашних" условиях вырастить кристалл АЭ

В принципе можно все. Курите в сторону метода Чохральского. Но боюсь что это отнимет несколько десятилетий жизни
На самом деле не стоит заморачиваться, просто купите АЭ и наслаждайтесь его работой.

Продолжим про зеркала.
На зеркалах очень часто рисуется стрелочка. Она указывает на отражающий слой. Дело в том, что излучение между зеркалами во время генерации проходит несколько раз, теряясь на границах переходов оптических сред и прочая, плюс любая среда не является абсолютно прозрачной... Чтобы снизить потери на прохождение подложки зеркала, его устанавливают непосредственно отражающим слоем к АЭ. Тогда излучение через толщу подложки проходит всего один раз, при выходе из резонатора, а не каждый из ~2-10 раз пробега по резонатору.
Еще немного про маркировку зеркал. У буржуев зеркала также делятся на глухие и выходные, обозначается это двумя буквами, HR или AR. Т.е half reflective (выходное) и absolute reflective (глухое)
На зеркалах иногда указывается еще один немаловажный параметр - угол падения излучения, обозначается греческой буквой "альфа". Т.е для лазерных зеркал не все равно, под каким иглом падает излучение на них. Для резонатора применяют зеркала с альфой 90 град. Т.е обычное зеркало, стоящее перпндикулярно лазерному лучу. Бывают зеркала для падения излучения под углом, например 45град. Т.е такое зеркало разворачивает луч на 90град.
С зеркалами вроде бы все.

[ukr-sasha]

Медаль однозначно!

[dpss]

Это будут скорее всего лазеры с длиной волны излучения 808нм, практически не видимым человеческим глазом.

Расскажите народу про пики поглощения для разных материалов - неодима, эрбия, эттербия. Тогда будет понятно почему диодные линейки 808нм распродают на ебее, а 978нм там почти нет.

[nERV]

Об этом хотел немного рассказать позже. Судя по нику, Вы имеете отношение к лазерной тематике, можете сами поведать об этом. С дпсс практически не игрался, все больше с твердотельниками ламповыми.

[aftaev]

(Nd:YAG), калий-гадолиниевый вольфрамат легированный неодимом (Nd:KGW), иттрий-алюминиевый гранат легированный эрбием (Er:YAG), искусственный рубин, искусственный сапфир.

по оптоволокну гонять такой лазер можно?

[nERV]

Да, можно. Правда для каждого типа лазера должно быть определенное волокно.