Войти
A TEA-лазер - это газовый лазер, возбуждаемый высоковольтным электрическим разрядом в газовой смеси обычно при атмосферном давлении или выше. Наиболее распространенными типами являются лазеры на диоксиде углерода и эксимерные лазеры, которые широко используются в промышленности и исследованиях; реже встречаются азотные лазеры. Аббревиатура «TEA» означает «поперечно возбужденная атмосфера».
Углекислый газ (CO 2) TEA-лазер был изобретен в конце 1960-х годов Жаком Больё, работающим в Министерстве оборонных исследований и разработок Канады в Валкартье в Квебеке, Канада. Разработка держалась в секрете до 1970 года, когда были опубликованы краткие подробности.
В 1963 году С. Кумар Н. Патель, работающий в Bell Telephone Laboratories, впервые продемонстрировал выходную мощность лазера при 10,6 мкм от газового разряда CO 2, возбужденного при низком давлении RF. При добавлении азота и гелия и использовании электрического разряда постоянного тока была достигнута мощность CW около 100 Вт. Путем импульсного разряда с использованием более высоких напряжений или модуляции добротности с использованием вращающегося зеркала можно получить мощность импульса в несколько киловатт в качестве практического ограничения.
Более высокие пиковые мощности могут быть достигнуты только за счет увеличения плотности возбужденных молекул CO 2. Емкость запасенной энергии на единицу объема газа увеличивается линейно с плотностью и, следовательно, с давлением газа, но напряжение, необходимое для пробоя газа и передачи энергии на верхние лазерные уровни, увеличивается с той же скоростью. Практическое решение, позволяющее избежать очень высоких напряжений, заключалось в подаче импульса напряжения поперек оптической оси (а не в продольном направлении, как в случае с лазерами низкого давления), ограничивая расстояние пробоя до нескольких сантиметров. Это позволило использовать управляемые напряжения в несколько десятков кВ. Проблема заключалась в том, как инициировать и стабилизировать тлеющий разряд при гораздо более высоких давлениях газа, чтобы разряд не перерос в яркую сильноточную дугу, и как этого добиться в полезном объеме газа.
Больё сообщил о CO 2 -лазере атмосферного давления с поперечным возбуждением. Его решение проблемы образования дуги заключалось в том, чтобы проводящий стержень был обращен к линейному ряду штырей с расстоянием в несколько сантиметров. Штыри были индивидуально загружены резисторами, заставляющими разряд от каждого штыря в слаботочную щетку или тлеющий разряд, который разветвлялся по направлению к стержню. Резонатор лазера исследовал 100-200 таких разрядов последовательно, обеспечивая усиление лазера. Конденсатор быстрого разряда быстро переключается между электродами лазера с помощью искрового разрядника или тиратрона, обеспечивающего импульсы высокого напряжения.
Эти первые TEA-лазеры типа "пин-бар", работающие со скоростью около одного импульса в секунду, были легкими и дешевыми в изготовлении. Работая при атмосферном давлении, можно избежать сложных вакуумных и газовых систем. Они могли производить пиковые мощности MW длительностью несколько 100 нс, способные разрушать воздух, если их сфокусировать с помощью линзы с коротким фокусным расстоянием. Недостатками были плохая симметрия усиления, потери на резисторах и размер.
TEA CO. 2 Laser Circuit Первый настоящий (без пин-бара) TEA-лазер был реализован Пирсоном и Ламбертоном, работающими в лаборатории электронных исследований Министерства обороны Великобритании в Великобритании. Бэлдок. Они использовали пару электродов с профилем Роговского, разделенных одним или двумя сантиметрами. Их конструкция с двойным разрядом связала часть энергии разряда с тонкой проволокой, идущей параллельно и смещенной от одной стороны электродов. Это служило для предварительной ионизации газа, что приводило к однородному объемному тлеющему разряду. Не меньшее значение для предыонизации имела необходимость очень быстрого разряда. Из-за быстрого сброса энергии в газ у сильноточной дуги не было времени образоваться.
Пирсон и Ламбертон использовали полосовую камеру для проверки последовательности событий. Когда между электродами создавалось напряжение, автоэлектронная эмиссия тонкой проволоки приводила к пластинчатому разряду между ней и анодом. Поскольку последующий основной разряд начинался с катода, было высказано предположение, что инициирующим механизмом была фотоэмиссия. Впоследствии другие исследователи продемонстрировали альтернативные методы достижения предыонизации. К ним относятся диэлектрически изолированные провода и электроды, скользящие искровые решетки, электронные пучки и штыри, нагруженные конденсаторами.
Исходный TEA-лазер Пирсона-Ламбертона мог работать со скоростью около одного импульса в секунду при включении искровым разрядником, разряжающим конденсатор, резистивно заряженный от источника питания постоянного тока. Путем циркуляции газа между электродами с использованием заряда конденсатора без потерь и замены искрового промежутка на тиратрон, частота следования импульсов, превышающая тысячу импульсов в секунду, впоследствии была достигнута с помощью различных конструкций ТЕА-лазера.
Метод двойного разряда, необходимый для инициирования стабильных газовых разрядов высокого давления, может использоваться как ниже, так и выше атмосферного давления, а также эти устройства могут называться ТЕА-лазерами. В коммерческих эксимерных лазерах, работающих в ультрафиолете, используется режим двойного разряда, очень похожий на CO 2 TEA-лазер. Используя криптон, аргон или ксенон хлорид или фторид, забуференный гелием до давления 2–3 атмосфер, эксимерные лазеры могут производить мегаваттную мощность. импульсы ультрафиолетового лазерного излучения.
В большинстве искровых разрядников с перенапряжением лавины электронов движутся к аноду. По мере увеличения количества электронов закон Кулона утверждает, что также увеличивается напряженность поля. Сильное поле ускоряет лавину. Медленное время нарастания напряжения позволяет электронам дрейфовать к аноду, прежде чем они смогут вызвать лавину. Электрофильные молекулы захватывают электроны до того, как они могут вызвать лавину. Тепловые эффекты дестабилизируют однородный разряд электронов, а диффузия ионов стабилизирует его.
Сравнение выжигания фотобумаги с гауссовым лучом при использовании TEA-лазера на диоксиде углерода, полученное в процессе оптимизации путем регулировки юстировочных зеркал. Используются TEA CO 2 лазеры широко для маркировки продукции. Логотип, серийный номер или срок годности наносятся на различные упаковочные материалы путем пропускания лазерного луча через маску, содержащую информацию, и фокусировки его до интенсивности, при которой материал, подлежащий маркировке, удаляется. Кроме того, с середины 1990-х годов для подготовки поверхностей в промышленных условиях используются TEA CO 2 лазеры. Области применения включают:
Преимущество этого особого лазера заключается в сочетании определенной длины волны CO 2, в основном 10,6 мкм, с высоким уровнем энергии коротких импульсов (~ 2 мкс).
