Квазинепрерывный режим работы лазера

• Непрерывные лазеры
• Импульсные лазеры
• Типы импульсных лазеров по длительности импульса
• Квази лазер
• Применение импульсных и непрерывных лазеров
• Лазерная очистка импульсным и непрерывным лазером
• Лазерная резка импульсным и непрерывным лазером
• Лазерная сварка импульсным и непрерывным лазером
• Отличия непрерывного и импульсного лазеров

Лазеры всех типов могут работать с помощью одного из двух режимов: лазерные лучи могут быть импульсными и непрерывными. Импульсный лазер также делится на:

• миллисекундный; 
• микросекундный;
• наносекундный; 
• пикосекундный;
• фемтосекундный;
• аттосекундный лазер.

Непрерывные лазеры

В лазерах с непрерывной волной существует постоянный поток энергии, то есть он постоянно излучает один непрерывный лазерный луч. Самый распространенный пример — непрерывный луч лазерной указки. Лазеры непрерывной волны обычно используются для лазерной резки, сварки и очистки.

Интенсивность светового потока (энергии) постоянна во времени и характеризуется количеством генерируемой мощности в ваттах (Вт). Примером непрерывного лазера является лазерная указка, которая излучает непрерывный луч видимого света малой мощности. Но они могут быть и очень мощными до 1000 Вт.

Рис. 1. Непрерывный луч лазерной указки

Проектирование регулируемого непрерывного лазера включает дополнительный фильтрующий элемент в резонаторе — обычно двулучепреломляющий фильтр (фильтр Лиота). 

Двулучепреломляющий фильтр необходим для: 

• Сужения полосы пропускания и, вращая фильтр, обеспечивает плавную перестройку. 
• Фильтра также используется в качестве заводской настройки для фиксации длины волны на точном значении, когда широкополосные лазеры должны быть предварительно настроены на определенную длину волны в зависимости от применения. Это обычно происходит с полупроводниковыми лазерами с оптической накачкой (OPSL), которые могут быть настроены на нужную длину волны в пределах их рабочего диапазона от 5 до 10 нм.

При использовании непрерывных лазеров в большинстве случаев требуется, чтобы мощность была как можно более стабильной в течение длительного времени, а также в течение короткого времени (микросекунды), в зависимости от конкретного применения. Для обеспечения стабильности, в том числе в условиях изменяющихся условий окружающей среды, таких как температура, вибрация и изменение параметров самого лазера, применяются микропроцессорные контуры управления. Например, Nd-лазер с диодной накачкой будет иметь сервоприводы для регулировки температуры и выходной мощности диодов накачки для поддержания стабильной выходной мощности резонатора. Кроме того, другие сервоприводы могут контролировать идеальное выравнивание зеркал резонатора.

Рис. 2. Параметры излучения лазерного света

Импульсные лазеры 

В импульсных лазерах луч прерывается через определенные промежутки времени, чтобы энергия могла накопиться и достичь более высокой пиковой мощности, чем в лазерах с непрерывной волной. Лазерный луч выпускается в виде импульсов, которые имеют определенную длительность. Такая высокая плотность энергии необходима для многих применений, таких как точечная сварка и гравировка.

Импульсные лазерные устройства производят импульсы длительностью от 0,5 до 500 нс. Данный режим работы лазера применяется для научных экспериментов и производственных процессов, связанных с абляцией или другими видами обработки материалов. Наиболее важной характеристикой наносекундного импульсного лазера является способность очень быстро «накапливать» и высвобождать энергию, т.е. в наносекундном масштабе лазерный выход может достигать пиковой мощности от десятков киловатт до мегаватт. Именно такая высокая пиковая мощность позволяет проводить абляционную обработку материалов. Кроме того, высокая пиковая мощность позволяет осуществлять оптические нелинейные процессы, основанные на взаимодействии более чем одного фотона с веществом.

Пиковая мощность = энергия одиночного импульса / длительность импульса; Средняя мощность = энергия одиночного импульса частота повторения.

Импульсные лазеры функционируют в различных режимах. В режиме свободной генерации импульс ла­зерного излучения появляется под действием импульса накачки в его начале и прекращается на его спаде. Поэтому длительность лазерного излучения в значи­тельной степени определяется длительностью импуль­са накачки. Лазеры с относительно большой продол­жительностью жизни возбужденного уровня могут ра­ботать в режиме с модуляцией добротности резонато­ра.

Рис. 3. Лазер с модуляцией добротности

Работа импульсного лазера существенно отличается от работы непрерывного. Чтобы создать и произвести каждый импульс, свет успевает совершить очень мало круговых оборотов в резонаторе лазера, и простой двухзеркальный резонатор на основе частично пропускающего зеркала не может производить такие энергичные и короткие импульсы. Ключом к получению таких энергичных импульсов является сохранение энергии накачки в атомах или молекулах излучающей среды путем предотвращения лазерного усиления.

Длительность импульса зависит от нескольких параметров: типа среды усиления и количества энергии, которое она может накопить, длины резонатора, частоты повторения импульсов и энергии накачки. Лазеры с модуляцией добротности, обычно используемые в промышленности, могут производить среднюю мощность до десятков или сотен ватт и частоту повторения до 10 Гц или до 200 кГц. Большинство промышленных процессов происходит в режиме от килогерца до десятков килогерц.

Типы импульсных лазеров по длительности импульса

Импульсные лазеры делятся на несколько категорий в зависимости от длительности их импульсов.

Для управления количеством импульсов в секунду используется модулятор. Каждый импульс имеет точную длительность, называемую длительностью импульса, длиной импульса или шириной импульса. Длительность импульса — это время между началом и концом импульса.

Для импульса лазерных лучей используется несколько методов модуляции: q-переключение, переключение усиления и блокировка мод — вот некоторые примеры. Чем короче импульс, тем выше энергетический пик. Наиболее распространенные единицы, используемые для выражения длительности импульса:

Миллисекунды (одна тысячная секунды) — самые длинные единицы времени, используемые для выражения длительности импульса, и, следовательно, имеют самые низкие энергетические пики. Например, импульсы лазерной эпиляции могут составлять от 5 мс до 60 мс в зависимости от толщины волос.

Микросекунды (одна миллионная доля секунды), вероятно, наименее распространенная длительность импульса. Они могут использоваться для обработки материалов, но следующие длительности импульса используются чаще, поскольку они обеспечивают большую точность. Микросекундные лазеры также могут использоваться для таких задач, как спектроскопия и удаление волос.

Наносекунды (одна миллиардная доля секунды) — очень распространенная длительность импульса, используемая в таких приложениях, как лазерная обработка материалов, измерение расстояний и дистанционное зондирование. Laserax, например, использует наносекундные волоконные лазеры для лазерной маркировки, очистки, текстурирования и гравировки.

Пикосекунды (одна триллионная доля секунды) и фемтосекунды (одна квадриллионная доля секунды) — самые короткие длительности импульсов, поэтому используются термины «ультракороткие импульсы» и «сверхбыстрые лазеры». Эти лазеры обеспечивают наиболее точные результаты и имеют наименьшие зоны теплового воздействия. Это предотвращает нежелательное плавление и позволяет делать очень точные гравировки. Они используются в обработке материалов, медицине (например, в глазной хирургии), микроскопии, измерениях и телекоммуникациях.

Рис. 4. Импульсный излучатель (источник) JPT LP 30 W

Главным преимуществом импульсной генерации является возможность достижения максимальной пиковой мощности. Если в непрерывном режиме твердотельные лазеры достигают показателя мощности генерации в 1 – 3 кВт, то средняя мощность импульсного лазера достигает 10 кВт при работе в режиме свободной генерации и при длительности импульса 10-3 — 10-4с. Это открывает большие возможности в промышленности, медицине и других сферах применения лазерных технологий.

Оптимальным методом импульсной генерации является модуляция добротности резонатора. Для этих целей в резонатор вносятся дополнительные оптические потери, вследствие чего происходит накопление мощности в импульсе. Наиболее распространенными импульсными лазерами являются волоконные и неодимовые (на кристалле иттрий-алюминиевого граната, легированного ионами неодима). Также широко используются полупроводниковые лазеры.

Квази лазер

Квази лазеры стоят между непрерывными волоконными лазерами киловаттного класса и импульсными лазерами с модуляцией добротности. Они очень похожи на волоконные лазеры киловаттного класса с одним существенным отличием: их пиковая мощность во время импульса до десяти раз выше их же средней мощности в чисто непрерывном режиме работы

Рис. 5. Квазинепрерывный режим

Применение импульсных и непрерывных лазеров

Лазерная очистка импульсным и непрерывным лазером 

Импульсное оборудование для очистки деликатнее обрабатывает поверхность, при этом имеет большую цену и медленнее скорость очистки. Лазер непрерывного действия способен удалить более серьезные загрязнения, но при этом может нанести незначительный урон материалу, например счищая слой ржавчины, снять небольшой слой заготовки.

Рис. 6. Процесс импульсной очистки 

Лазерная резка импульсным и непрерывным лазером 

Резать материал можно как импульсным, так и непрерывным лазерным оборудованием для резки. Непрерывный режим чаще всего применяется для резки стандартного контура металла и пластика толщиной от миллиметра до сантиметра.

Для вырезания отверстий и получения точных контуров используются низкочастотные импульсные лазеры

Импульсно-периодическое излучение целесообразно в тех случаях, когда необходима прецизионная резка или когда нужно получить пазы и щели (сквозные и несквозные) малых размеров и высокой точности.

Рис. 7. Высокомощная лазерная резка YAG

Лазеры непрерывного действия на СО2 применяют для лазерной резки, при которой в зону воздействия лазерного луча подается струя газа. Газ выбирают в зависимости от вида обрабатываемого материала. 

При резке дерева, фанеры, пластиков, бумаги, картона, текстильных материалов в зону обработки подается воздух или инертный газ, которые охлаждают края реза, препятствуют горению материала и расширению реза.

При резке большинства металлов, стекла, керамики струя газа выдувает из зоны воздействия луча расплавленный материал, что позволяет получать поверхности с малой шероховатостью и обеспечивает высокую точность реза. 

При резке железа, малоуглеродистых сталей и титана в зону нагрева подается струя кислорода. 

Лазерная сварка импульсным и непрерывным лазером 

 Для сварки используют твердотельные и газовые лазеры импульсного и непрерывного действия. При непрерывном излучении длительность определяется временем экспонирования, а при импульсном — длительностью импульса. 

Скорость сварочного оборудования с непрерывным излучением в несколько раз превышает скорости традиционных способов сварки плавлением. Непрерывным лазерным лучом стальной лист сваривается со скоростью 100 м/ч за 1 проход при ширине шва в 5 мм.

Основные параметры режима импульсной лазерной сварки — это энергия и длительность импульсов, диаметр сфокусированного излучения, частота следования импульсов, положение фокального пятна относительно поверхности свариваемых деталей. Однако лазерная сварка с импульсным излучением по скорости сопоставима с традиционными способами сварки.

При работе в импульсном режиме существенный недостаток твердотельного лазера — низкий КПД (0,01…2,0%). Более высокую мощность и больший КПД обеспечивают лазеры, работающие в непрерывном режиме.

Рис. 8. Импульсная и лазерная сварка 

Отличия непрерывного и импульсного лазеров

Лазеры определяются типом среды, которую они используют, например, газ, краситель, твердотельный или эксимерный. Разница между лазером с непрерывной волной (cw) и импульсным лазером с модуляцией добротности характеризуется длиной и продолжительностью лазерного излучения.

Лазер с непрерывной волной работает со стабильной или непрерывной выходной мощностью. Выходная мощность непрерывного лазера обычно измеряется в ваттах. Лазер с модуляцией добротности обычно классифицируется как импульсный лазер, поскольку его выходной сигнал характеризуется импульсами энергии, которые возникают с определенной частотой следования импульсов. Внутри резонатора лазера с модуляцией добротности находится нелинейный кристалл, известный как переключатель добротности, который не допускает никакого высвобождения лазерного излучения до его открытия. Это означает, что в лазере с модуляцией добротности накапливается энергия, которая затем высвобождается при открытии модулятора добротности, и это может привести к очень сильному лазерному импульсу. Эти импульсы обычно имеют длительность импульса 1-5 нс (в зависимости от конструкции резонатора) и имеют пиковую мощность в диапазоне мегаватт.

Лазеры непрерывного действия могут быть только с лазерной накачкой, импульсные — с лазерной или ламповой. Однако каждый такой лазер включает два — для накачки ( например, аргоновый) и для генерации.

Импульсные Nd:YAG лазеры работают только в импульсном режиме, диодные лазеры работают в непрерывном режиме, а волоконные лазеры могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме.

Некоторые материалы — например, возбужденные димеры (или «эксимеры») инертного газа с галогеном, такие как ArF и XeCl — поддерживают лазерное излучение только в течение короткого периода в несколько наносекунд. Другие лазеры, например Nd- или Yb-лазеры с диодной накачкой (DPSS), могут работать как в постоянном, так и в импульсном режиме. Лазерные диоды или OPSL, вообще не подходят для импульсных операций. 

Отличить лазер с непрерывной волной от лазера с модуляцией добротности несложно. Однако в конечном итоге именно тип работы и материал будут определять, какой из них подойдет лучше всего.

Под импульсным лазером понимается лазер , который не излучает свет непрерывно ( лазер непрерывного действия , также называемый лазером непрерывного действия), а работает в импульсном режиме. ЧАС. свет излучается ограниченными по времени порциями ( импульсами ). В зависимости от длительности импульса говорят о лазерах с короткими или ультракороткими импульсами .

характеристики

Хотя свет от лазера непрерывного действия обычно имеет очень узкий спектр , это невозможно с импульсным лазером. Согласно преобразованию Фурье , временной ход и спектр импульса связаны: чем короче импульс, тем больше его частота — полоса пропускания .

Произведение временной и спектральной шириной ( и полувысоте интенсивности) называется пределом преобразования и выполняет неравенство

Константа зависит от формы импульса. Для гауссова импульса z. Б.

Квазинепрерывный лазер (QCW)

Эти лазеры являются лазерами непрерывного действия, работа которых периодически прерывается (отсюда «квазинепрерывная волна»). Во время выброса он постоянен во времени и имеет фиксированную зависимость от производительности насоса, как при работе в непрерывном режиме. Однако, поскольку излучение периодически прерывается, усредненная по времени мощность меньше пиковой мощности. Это обеспечивает максимальную производительность, которая при бесперебойной работе приведет к перегрузке источника луча. В этом отношении эта операция соответствует импульсному лазеру.

поколение

Некоторые типы лазеров излучают лазерные импульсы только по физическим причинам или не могут эффективно работать как лазеры непрерывного действия. Первый лазер, рубиновый , является таким импульсным лазером. Энергия, запасенная при инверсии населенностей, «убирается» импульсом быстрее, чем источник накачки может накачать новую энергию на верхний лазерный уровень. В частности, твердотельные лазеры с накачкой импульсными лампами излучают только импульсный лазерный свет. Энергия, продолжительность и пиковая мощность могут быть точно установлены с помощью регулируемого источника питания для импульсных ламп.

Многие непрерывные лазеры также могут работать в импульсном режиме за счет быстрого включения и выключения мощности накачки. Лазеры на углекислом газе могут работать в импульсном режиме с частотой до 1 кГц. В принципе, импульсы также можно генерировать с помощью комбинации непрерывного лазера и модулятора (например, простого прерывателя ). Однако такой метод не очень эффективен, поскольку вы теряете большую часть мощности лазера. Кроме того, минимально достижимая длительность импульса ограничена скоростью модулятора. Поэтому на практике цель состоит в том, чтобы добиться полной инверсии населенности , т.е. ЧАС. весь доступный коэффициент усиления лазера может быть вызван в течение длительности импульса.

Существуют разные методы генерации коротких и ультракоротких импульсов. С их помощью можно достичь максимальной производительности в диапазоне нескольких ГВт .

Q-переключение

Под Q-переключатель (Engl. Добротность ) относится к переключению потерь внутри резонатора лазера . Хотя потери остаются высокими, высокая инверсия населенностей может быть получена с помощью оптической накачки. Из-за больших потерь лазер не может начать колебаться в течение этого времени. За это время инверсия населенностей уменьшается только за счет спонтанного, но не за счет вынужденного излучения. Если качество резонатора переключить на «хорошее» и потери уменьшены, начинается вынужденное излучение. Это поглощает инверсную населенность, которая образовалась за короткое время, так что энергия в оптической среде концентрируется в коротком импульсе.

Реализация может выполняться активными или пассивными элементами. В случае активной реализации Q-переключение «управляется извне», например Б. через электрооптические или акустооптические модуляторы . При использовании насыщающегося поглотителя в качестве пассивного элемента модуляция добротности изменяется через освещение. Из-за спонтанного излучения поглотитель постепенно «насыщается», пока его поглощение не уменьшится настолько, чтобы началось стимулированное излучение. Это приводит к дальнейшему насыщению поглотителя, так что качество резонатора еще больше повышается. Поэтому стимулированное излучение продолжает увеличиваться до тех пор, пока не исчезнет инверсия населенностей.

С помощью активного переключателя добротности можно было генерировать импульсы длительностью несколько наносекунд. Пассивные Q-переключатели используются для более коротких импульсов.

Связь мод

В существующей в лазере синхронизации мод (англ. Mode Lock ) должны быть синхронизированы продольные моды . Из-за синфазного суперпозиции различные моды конструктивно интерферируют , так что формируется короткий импульс.

Как и в случае Q-переключения, здесь также есть активные и пассивные методы. Опять же, активным методом является использование акустооптического модулятора. Однако при связи мод это не регулирует потери таким образом, чтобы работа лазера полностью подавлялась в течение определенного времени. Скорее, модулятор работает на частоте, которая соответствует времени цикла импульса в резонаторе. Модулятор не должен переключаться между передачей 0 и 100% . Модуляции в несколько процентов достаточно. Пассивные процессы могут быть реализованы с использованием насыщающихся поглотителей или с помощью эффекта линзы Керра .

За счет связи мод достигаются длительности импульсов в пикосекундном и фемтосекундном диапазоне. При значениях в диапазоне пико- и наноджоулей энергии импульсов значительно ниже значений, которые могут быть достигнуты с помощью лазеров с модуляцией добротности. Наименьшие импульсы достигаются при использовании насыщающихся поглотителей. Впоследствии импульсы можно усилить, например, Б. в регенеративном усилителе .

Лазерные импульсы пикосекундного диапазона были впервые сгенерированы в середине 1960-х годов Энтони Дж. ДеМариа и его коллегами, а в диапазоне менее 1 пикосекунды в 1974 году Чарльзом Шенком и Эрихом П. Иппеном .

Измерение

Чтобы разрешить процесс во времени, нужны события, которые короче, чем событие, которое нужно измерить. Ультракороткие лазерные импульсы — это самые короткие события, которые могут быть созданы искусственно. Электронное измерение с фотодиодом невозможно, потому что скорость фотодиода ограничена временем рекомбинации электронно-дырочных пар, которое обычно находится в наносекундном диапазоне.

Часто самым коротким из возможных событий является сам импульс. В автокорреляторе можно измерить импульс «сам с собой» и, таким образом, определить длительность импульса.

Другой возможностью является использование FROG ( оптического стробирования с частотным разрешением ). Это может быть использовано для записи спектрограммы импульса и для вычисления электрического поля и фазы по нему.

Приложения

Из-за высокой пиковой интенсивности импульсные лазеры находят широкое применение. Б. в обработке материалов и офтальмологии . В последнем случае аметропию можно исправить путем целенаправленного удаления поверхности роговицы (например, хирургия LASIK , Femto Lasik ).

Кроме того, из-за высокой интенсивности эффекты нелинейной оптики , такие как, например, Б. Удвоение частоты или эффект Керра , индукция.

Из-за чрезвычайно короткой длительности импульса можно разрешить физические процессы, происходящие во временной шкале длительности импульса. Это происходит, например, Б. с помощью зондовой накачки .

Смотри тоже

• Лазер ультракоротких импульсов

веб ссылки

• Импульсный лазер в Энциклопедии лазерной физики и техники (англ.)

1. Режимы работы лазерных генераторов. Характерные параметры мощностей и длительностей импульсов в различных импульсных режимах.

Определяются
характе-ром действия источника накачки
лазера и законом изменения добротности
оптич. резонатора лазера. Если резонатор
имеет пост, уровень потерь (и, соответственно,
пост, добротность), то лазер работает в
режиме
свободной генерации.
При этом временной характер выходного
излучения лазера определяется временным
характером накачки: при непрерывной
накачке излучение непрерывно, при
импульсной оно носит импульсный характер.

В
газовых, жидкостных и ПП лазерах форма
импульса излучения близка к форме
импульса накачки, в твердотельных
лазерах в начале лазерного импульса
имеются переходные пульсации, затухающие
за время жизни верх, лазерного уровня.
Часто в излучении твердотельных лазеров
наблюдаются хаотич. пульсации
интенсивности, связанные с флуктуациями
добротности или длины оптич. резонатора.

Отдельно
следует выделить режимы
генерации повторяющихся импульсов:

• Импульсно-периодический (ИП),
  подразумевающий генерацию импульсов
  в режимах свободной генерации либо
  модуляции добротности с частотами
  повторения 5 — 100000-Hz

• Квазинепрерывный
  режим.
  В этом режиме частота повторения
  достигает десятков GHz. Характерным
  отличием от ИП режима является то, что
  средняя мощность квазинепрерывной
  генерации сопоставима с пиковой
  мощностью составляющих импульсов. Он
  используется в локации, связи, различных
  технологических процессах.

Для
получения коротких мощных импульсов
излучения лазера используют режим
модуляции добротности резонатора:
во время действия накачки лазерный
затвор вводит в резонатор дополнит,
потери, препятствующие возникновению
свободной генерации; после выключения
потерь (выключения лазерного затвора)
энергия возбуждения, запасённая в
активной среде, излучается в виде
короткого (10-10 с) и мощного (10-10 Вт) импульса
лазерного излучения. Режим модуляции
добротности удаётся получить в
твердотельных лазерах и некоторых видах
газовых лазеров, имеющих достаточно
продолжит, время жизни верх, лазерного
уровня, позволяющее накапливать на нём
возбуждённые атомы активной среды.
Режим модуляции добротности можно
осуществить как при импульсной накачке
лазера (затвор открывается только в
конце действия импульса накачки), так
и при непрерывной накачке (затвор
открывается и закрывается периодически
с частотами от неск. десятков Гц до неск.
десятков кГц).

Дальнейшее
сокращение длительности лазерных
импульсов (до неск. десятков пс) достигается
в режиме модуляции
добротности при синхронизации мод
оптич. резонатора,
осуществляемой с помощью акустооптич.
или электро-оптич. лазерного затвора
либо насыщающегося поглотителя.
Интерференция многих (до 1000) продольных
одновременно существующих мод колебаний
в резонаторе лазера приводит к появлению
вместо короткого лазерного импульса
наносекундной длительности серии
сверхкоротких лазерных пичков
пикосекундной длительности. Самые
короткие импульсы удаётся получить при
синхронизации мод в лазерах с большой
шириной спектральной линии лазерного
перехода. Предельно достижимая
длительность сверхкоротких лазерных
импульсов при полной синхронизации мод
равна обратной полуширине спектра
генерируемых мод.

1. Эффект
   Доплера для электромагнитных волн.
   Неоднородное доплеровское уширение
   линии люминесценции в газовых лазерах.
   Использование лазерного излучения в
   измерительных системах (дальномеры,
   измерители скорости)

Эффектом
Доплера
называется
изменение частоты волн, регистрируемых
приемником, которое происходит вследствие
движения источника этих волн и приемника.

Источник,
двигаясь к приемнику как бы сжимает
пружину – волну.

 Если
источник движется относительно приемника
вдоль соединяющей их прямой, то наблюдается
продольный
эффект Доплера:

• В
  случае сближения источника и приемника:

• 

• В
  случае их взаимного удаления (θ = 0):

П
оперечный
эффект пропорционален отношению
, следовательно, он значительно слабее

продольного,
который пропорционален

Лазерный
дальномер —
прибор для измерения расстояний с
применением лазерного луча.

Широко
применяется в инженерной геодезии,
при топографической
съёмке,
в военном
деле,
в навигации,
вастрономических исследованиях,
в фотографии. Современные лазерные
дальномеры в большинстве случаев
компактны и позволяют в кратчайшие
сроки и с большой точностью определить
расстояния до интересующих объектов.

Лазерный
дальномер это устройство, состоящее
из импульсного лазера
и детектора излучения.
Измеряя время, которое затрачивает луч
на путь до отражателя и обратно и зная
значение скорости
света,
можно рассчитать расстояние между
лазером и отражающим объектом. Лазерный
дальномер — простейший вариант лидара.

Способность электромагнитного
излучения распространяться
с постоянной скоростью дает возможность
определять дальность до объекта. Так,
при импульсном методе дальнометрирования
используется следующее соотношение:

где 
 —
расстояние до объекта, 
 — скорость
света в вакууме, 
 — показатель
преломления среды,
в которой распространяется излучение, 
 —
время прохождения импульса до цели и
обратно.

Рассмотрение
этого соотношения показывает, что
потенциальная точность измерения
дальности определяется точностью
измерения времени прохождения импульса
энергии до объекта и обратно. Ясно, что
чем короче импульс, тем лучше.

Доплеровский
измеритель —
общее название технических средств для
измерения линейной скорости с
помощью эффекта
Доплера.
Применение эффекта Доплера позволяет
измерять скорость не только твёрдых
тел, но и газообразных, жидких и сыпучих
сред. Некоторые виды доплеровских
измерителей рассчитаны также на
определение длины движущихся объектов
или их перемещения, с помощью встроенного
средства измерения временных интервалов.

Принцип
действия

Принцип
действия основан на использовании
эффекта Доплера, согласно
которому, частота принятого
сигнала, отражённого от цели может
отличаться от частоты излучённого
сигнала и разница зависит от
соотношения скоростей объектов
относительно друг друга. Осн. статья
— Эффект
Доплера

По
природе излучения (радиоволны, свет, звук)
доплеровские измерители бывают
соответственно трёх видов:

• радиолокационные,
  иначе радиоволновые (доплеровские
  радары);

• лазерные,
  иначе оптические (доплеровские лидары);

• акустические
  (в т. ч. гидроакустические), иначе
  звуковые, ультразвуковые (доплеровские
  сонары).

По
характеристике сигнала измерители
могут быть как импульсные, так и с
непрерывным излучением.

Доплеровские
измерители скорости потока жидких и
газообразных сред функционируют за
счёт отражения излучения от микрочастиц,
взвешенных в этих средах.

Виды
доплеровских измерителей по назначению

Доплеровские
измерители используются в различных
целях во многих отраслях производства,
транспорта, медицины, научных и
научно-практических исследований, а
также в военном деле

• Бортовые
  измерители

  • Доплеровские
    измерители скорости и сноса для
    определения вектора путевой скорости
    самолёта, вертолёта. В настоящее время
    в авиации применяются измерители
    только радиолокационного типа. Осн. —
    статья Доплеровский
    измеритель скорости и сноса

  • Судовые
    доплеровские измерители — радиолокационные
    и гидроакустические

  • Бортовые
    измерители локомотивов — радиолокационные
    и лазерные

  • Доплеровские
    измерители в космонавтике

• Технологические
  измерители

  • Измерители
    скорости перемещения твёрдых тел —
    лазерные

  • Измерители
    скорости потока жидких или сыпучих
    сред — ультразвуковые и лазерные, в
    т. ч. ультразвуковые расходомеры

• Медицинские
  измерители

  • Доплеровский
    измеритель скорости кровотока —
    ультразвуковой

  • Лазерные
    доплеровские флоуметры — анализаторы
    для неинвазивной диагностики
    микроциркуляционного кровообращения

  • УЗИ-доплер
    томографы

  • Фетальные
    доплеры

• Измерители
  для контроля транспортных потоков

  • Измерители
    скорости движения транспортных средств
    — радиолокационные (осн. статья
    — Милицейский
    радар)
    и лазерные

• Гидро/метео
  измерители

  • Лазерные
    доплеровские измерители в метеорологических
    исследованиях

  • Гидроакустические
    доплеровские измерители в гидрологии,
    океанологии, осн. статья — Акустический
    доплеровский измеритель течения

• Системы
  охранной сигнализации

  • Радиоволновые
    и ультразвуковые доплеровские извещатели
    для закрытых помещений

  • Доплеровские
    системы сигнализации для открытых
    пространств

• Измерители
  военно-технического и разведывательного
  назначения

Уширение линии
люминесценции

Эффект Штарка
(расщепление спектральных линий под
действием на излучающее вещество
внешнего, в данном случае действующего
со стороны окружающих ионов, электрического
поля) приводит к расщеплению уровня
⁴F_3/2
на два подуровня, а уровень ⁴I_11/2
– на шесть подуровней. Лазерные переходы
разрешены между всеми этими подуровнями,
и, таким образом, есть 12 возможных
переходов между верхними и нижними
подуровнями.

Кроме того, так
как неодимовые стёкла представляют
собой структурно разупорядоченные
среды, то локальные неоднородности поля
стеклянной матрицы вызывают разброс
значений штарковкских расщеплений
энергетических уровней различных ионов
Nd³⁺.
Это приводит к неоднородному уширению
линии люминесценции. //Уширение однородное,
если уширяется линия каждого отдельного
атома и, следовательно, всей системы в
одинаковой степени. Уширение неоднородное,
если резонансные частоты отдельных
атомов распределяются в некоторой
полосе частот и, следовательно, линия
всей системы уширяется при отсутствии
уширения линий отдельных атомов.//
Результирующий контур линии люминесценции
неодимового стекла представляет собой
свёртку лоренцева контура (однородное
уширение, вызванное столкновениями
ионов Nd³⁺
с фононами решётки) и гауссова контура
(неоднородное уширение), рисунок 3.
Следует отметить, что преобладающим в
неодимовых стёклах является неоднородное
уширение [1].

Полуширина линии
люминесценции на переходе ⁴F_3/2—⁴I_11/2
для силикатных
стёкол =26-36
нм, для фосфатных =15-23
нм [1,3].

17.
Рамановская спектроскопия (спектроскопия
комбинационного рассеяния)

Р

амановское
рассеяние (иначе — комбинационное
рассеяние света) это неупругое
рассеяние оптического излучения на
молекулах вещества (твёрдого, жидкого
или газообразного), сопровождающееся
заметным изменением его частоты. В
отличие от рэлеевского рассеяния, в
случае рамановского рассеяния в
спектре рассеянного излучения появляются
спектральные линии, которых нет в спектре
первичного (возбуждающего) света. Число
и расположение появившихся линий
определяется молекулярным строением
вещества.

На
рисунке представлена энергетическая
схема упругого и неупругого  взаимодействия
фотона с веществом. При рэлеевском
рассеянии частота отраженного света
не меняется. Это «обычное»
отражение света от поверхности или
из объема вещества. При рамановском
рассеянии происходит излучение или,
наоборот, поглощение колебания молекулы
(фонона в твердом теле). Если при
рассеянии частота света уменьшается, такой
процесс называется «стоксовское рассеяние».
Если, наоборот, частота
отраженного света больше, такой
процесс называется «антистоксовский». 

Верхние
уровни, изображенные на рисунке —
виртуальные энергетические уровни.
Рамановское рассеяние света происходит
«мгновенно». Результат рамановского
рассеяния — молекула или вещество
переходят на другой колебательный
уровень, то есть приобретают, или
наоборот, теряют колебательную энергию. 

По изменению энергии
фотона можно судить об изменении энергии
молекулы, т.е. о переходе ее на новый
энергетич. уровень. В спектре отраженного
света появляются дополнительные линии.
По положению в спектре этих линий можно
определить энергии молекулярных
колебаний, а, следовательно, и
химический состав вещества. Каждое
вещество обладает своим уникальным
колебательным спектром, то есть набором
частот, которые можно получить
спектроскопическими методами. Рамановская
спектроскопия, иначе спектроскопия
комбинационного рассеяния света является
эффективным методом химического анализа,
изучения состава и строения веществ.

18.
Особенности
поглощения лазерного излучения металлами.
Скин-эффект. Факторы, влияющие на глубину
проплавления металлов, при воздействии
на них лазерным излучением.

Металл 

Металл представляет
собой трехмерную решетку из положительных
ионов, которая погружена в газ электронов
проводимости, связанных с ионной решеткой
силами электростатического притяжения.

В
видимом и инфракрасном диапазонах
частот все излучение, которое не
отражается от металла, поглощается им
в весьма тонком поверхностном скин-слое
(толщиной 10^-5…10^-6 см)
на электронах проводимости. Это позволяет
упростить описание и рассматривать
лишь два процесса: отражение и поглощение,
пренебрегая процессом распространения
излучения в металле.

Для
жидких и твёрдых тел поведение электронов,
определяющих оптические свойства атома,
резко меняются под действием полей
соседних атомов. Поглощение твёрдых
тел характеризуется, как правило, очень
широкими областями (сотни и тысячи нм);
качественно это объясняется тем, что в
конденсированных средах сильное
взаимодействие между частицами приводит
к быстрой передаче энергии, отданной
светом одной из них всему коллективу
частиц.

Поглощенная энергия распространяется
в
веществе за счет различных механизмов
теплопроводности. Для металлов основной
является электронная теплопроводность.

Коэффициент
поглощения веществ зависит от длины
волны света, говорят о спектре поглощения
вещества.

Скин-эффект
(поверхностный эффект) —
эффект уменьшения амплитуды электромагнитных
волн по
мере их проникновения вглубь проводящей
среды.
В результате этого эффекта,
например, переменный
ток высокой частоты при
протекании по проводнику распределяется
не равномерно по сечению, а преимущественно
в поверхностном слое.

Факторы, влияющие на глубину проплавления
металлов, при воздействии на них лазерным
излучением.

Наиболее
существенными факторами, влияющими на
размерные характеристики реза, являются
энергетические параметры процесса, к
которым относятся мощность и плотность
мощности. В силу того, что тепловложение
в материал зависит и от скорости резки,
этот параметр рассматривается в
совокупности с энергетическими. А именно
с понижением скорости, глубина проплавления
увеличивается рис. 1.

Однако
варьирование скоростью обработки имеет
ограничения. Нижний пределом допустимой
скорости резки для углеродистых сталей
служит переход процесса в режим автогенной
резки, когда количество теплоты,
выделяющейся в струе кислорода, достаточно
для поддержания самопроизвольного
процесса резки. Для нержавеющих сталей,
титановых и алюминиевых сплавов нижний
предел допустимой скорости резки
соответствует резкому ухудшению качества
поверхности реза. В условиях резки
металлов лучом лазера мощностью 1 кВт
такие явления особенно характерны при
скоростях обработки, лежащих ниже
0,3…0,5 м/мин. Слишком же высоким скоростям
резки соответствует резкое снижение
толщины разрезаемых деталей, поэтому
обычно скорости резки не повышают более
6…8 м/мин.

На
рис. 2 показано изменение максимально
достижимой глубины качественно
выполненного реза в углеродистых сталях
в зависимости от скорости обработки
при различных условиях фокусирования.
Как видно уменьшение фокального пятна
вызывает возрастание глубины качественно
выполненного реза.

Основной
причиной такого роста глубины реза
является повышение плотности мощности
в зоне обработки. Зависимость глубины
качественно выполненного реза в
углеродистых сталях от скорости резки
при различных условиях.

Поэтому
при резке углеродистых сталей для
повышения плотности мощности в зоне
резки необходимо стремиться к фокусировке
излучения в пятно меньшего диаметра.
Этому способствует использование
установки с малой расходимостью лазерного
пучка, работающей в одномодовом режиме,
а также применение короткофокусных,
качественных линз и т.д.

С
другой стороны, увеличение плотности
мощности лазерного излучения за счёт
увеличения мощности от 500 до 1000 Вт тоже
позволяет повысить скорость резки.

Значительно
зависят от скорости резки ширина реза
и протяжённость зоны термического
влияния (ЗТВ). Ширина ЗТВ и ширина реза
у верхней кромки уменьшаются с ростом
скорости.

ОСНОВНЫЕ
ПАРАМЕТРЫ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ

1. Особенности
   поглощения лазерного излучения
   диэлектрическими и полупроводниковыми
   материалами.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Схема одномодового и многомодового излучения

Влияние качества излучения на сварку
а) Одномодовое излучение 500 Вт, скорость сварки 7,6 м/мин., диаметр пятна 30 мкм, М²=1,2
b) Многомодовое излучение 700 Вт, скорость сварки 2,5 м/мин., диаметр пятна 150 мкм, М²=15
c) Многомодовое излучение 1000 Вт, скорость сварки 2 м/мин., диаметр пятна 250 мкм, М²=15

Примеры сварки наносекундным волоконным лазером

Пиковая мощность и длительность импульса