ЧАЙНЫЙ лазер

представляет TEA-лазер собой газовый лазер, возбуждаемый электрическим разрядом высокого напряжения в газовой смеси, обычно при атмосферном давлении или выше . Наиболее распространенными типами являются лазеры на углекислом газе и эксимерные лазеры , которые широко используются в промышленности и исследованиях; менее распространены азотные лазеры . Аббревиатура «TEA» означает «Поперечно-возбужденная атмосфера».

История

Изобретение

Лазер на диоксиде углерода (CO ₂ ) TEA был изобретен в конце 1960-х годов Жаком Болье, работавшим в Канадском отделе оборонных исследований и разработок в Валькартье в Квебеке , Канада . Разработка держалась в секрете до 1970 года, когда были опубликованы краткие подробности.

В 1963 году К. Кумар Н. Патель , работавший в Bell Telephone Laboratories , впервые продемонстрировал выходную мощность лазера на длине волны 10,6 мкм из низкого давления, возбуждаемого радиочастотной волной CO ₂ газового разряда . С добавлением азота и гелия и использованием постоянного тока электрического разряда была достигнута мощность непрерывного излучения около 100 Вт. Путем создания импульсов разряда с использованием более высоких напряжений или модуляции добротности с помощью вращающегося зеркала можно получить импульсную мощность в несколько киловатт в качестве практического предела.

Более высоких пиковых мощностей можно было достичь только за счет увеличения плотности возбужденных молекул CO ₂ . Емкость запасенной энергии на единицу объема газа увеличивается линейно с увеличением плотности и, следовательно, давления 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 продольно, как в случае с лазерами низкого давления), ограничивая расстояние пробоя несколькими сантиметрами. Это позволило использовать управляемые напряжения в несколько десятков кВ. Проблема заключалась в том, как инициировать и стабилизировать тлеющий разряд при таких гораздо более высоких давлениях газа, не допуская перерождения разряда в яркую сильноточную дугу, и как добиться этого на полезном объеме газа.

CO ₂ ЧАЙный лазер

-лазера атмосферного давления с поперечным возбуждением _{Болье сообщил о создании CO 2} . Его решение проблемы образования дуги состояло в том, чтобы расположить проводящий стержень напротив линейного ряда штырей на расстоянии нескольких сантиметров. Выводы были индивидуально нагружены резисторами, заставляющими разряд с каждого вывода образовывать слаботочную щетку или тлеющий разряд, который распространялся веером по направлению к стержню. Лазерный резонатор последовательно зондировал 100-200 таких разрядов, обеспечивая лазерное усиление. Конденсатор быстрого разряда быстро переключался между лазерными электродами с помощью искрового разрядника или тиратрона , обеспечивая импульсы высокого напряжения.

Эти первые TEA-лазеры типа «Pin-Bar», работающие со скоростью примерно один импульс в секунду, были просты и дешевы в изготовлении. Работая при атмосферном давлении, можно избежать сложных систем вакуума и обработки газов. Они могли генерировать пиковую мощность СВЧ длительностью в несколько 100 нс , способную разрушать воздух, если их сфокусировать с помощью короткофокусной линзы. Недостатками были плохая симметрия усиления, рассеивание резисторов и размер.

Пирсон и Ламбертон

TEA CO ₂ Лазерная схема

Первый настоящий TEA-лазер (без стержня) был создан Пирсоном и Ламбертоном, работавшими в Лаборатории электронных исследований Министерства обороны Великобритании в Бэлдоке. Они использовали пару электродов профиля Роговского, разделенных одним или двумя сантиметрами. Их дважды уволили Конструкция передает часть энергии разряда тонкой проволоке, идущей параллельно и смещенной от одной стороны электродов. Это способствовало предварительной ионизации газа , приводящей к образованию однородного объемного тлеющего разряда. Не менее важной, чем предыонизация, была необходимость очень быстрого разряда. Из-за быстрого сброса энергии в газ сильноточные дуги не успевали образовываться.

Пирсон и Ламбертон использовали стриминговую камеру, чтобы проверить последовательность событий. Когда на электродах возникло напряжение, автоэмиссия тонкой проволоки привела к возникновению листового разряда между ней и анодом. Поскольку последующий основной разряд начинался с катода, было высказано предположение, что инициирующим механизмом является фотоэмиссия. Впоследствии другие исследователи продемонстрировали альтернативные методы достижения предионизации. К ним относятся диэлектрически изолированные провода и электроды, скользящие искровые матрицы, электронные лучи и штыри, нагруженные импедансно конденсаторами.

Оригинальный TEA-лазер Пирсона-Ламбертона мог работать со скоростью примерно один импульс в секунду при включении искрового промежутка, разряжающего резистивно заряженный конденсатор от источника постоянного тока. За счет циркуляции газа между электродами, при которой использовался заряд конденсатора без потерь и замена разрядника тиратроном, впоследствии с помощью различных конструкций TEA-лазера была достигнута частота повторения, превышающая тысячу импульсов в секунду.

Метод двойного разряда

Метод двойного разряда, необходимый для инициирования стабильных газовых разрядов высокого давления, может использоваться как при давлении ниже, так и выше атмосферного , и эти устройства также можно назвать ТЭА-лазерами. Коммерческие эксимерные лазеры, работающие в ультрафиолете, используют режим двойного разряда, очень похожий на CO ₂ TEA-лазер. Используя криптон , аргон , хлорид ксенона или газообразный фторид, забуференный гелием до давления 2–3 атмосферы, эксимерные лазеры могут генерировать мегаваттные импульсы ультрафиолетового лазерного света.

Микроскопическое описание выделений

В большинстве искровых разрядников с повышенным напряжением лавины электронов движутся к аноду. По мере увеличения числа электронов закон Кулона гласит, что напряженность поля также увеличивается. Сильное поле ускоряет лавину. Медленное время нарастания напряжения позволяет электронам дрейфовать к аноду, прежде чем они смогут создать лавину. Электрофильные молекулы захватывают электроны до того, как они смогут создать лавину. Тепловые эффекты дестабилизируют однородный электрон разряда, а диффузия ионов стабилизирует его.

Приложения

Горение фотобумаги гауссовским лучом сравнение углекислотного ТЭА-лазера, полученного в процессе оптимизации путем регулировки юстировочных зеркал.

лазеры TEA _{CO 2} широко используются для маркировки продукции. Логотип, серийный номер или срок годности наносятся на различные упаковочные материалы путем пропускания лазерного света через маску, содержащую информацию, и фокусировки его до интенсивности, которая разрушает маркируемый материал. Кроме того, с середины 1990-х годов CO _2- лазеры TEA используются для подготовки поверхностей в промышленных условиях. Приложения включают в себя:

• Выборочное или полное удаление краски, известное как селективное лазерное удаление покрытия (SLCR) в области технического обслуживания или ремонта самолетов; Этот процесс выборочной зачистки был одобрен в 2001 году как первый процесс лазерной зачистки OEM-производителями и центрами технического обслуживания самолетов.
• Активация или очистка поверхностей под покраску и оклейку.
• Удаление загрязнений или слоев покрытия в качестве подготовки к склеиванию или сварке.
• Очистка пресс-форм и инструментов без изнашивания, например, пресс-форм для шин или пресс-форм для изготовления обшивки деталей салона автомобиля.

Преимуществом этого конкретного лазера является сочетание специфической длины волны CO ₂ , в основном 10,6 мкм, с высоким уровнем энергии коротких импульсов (~ 2 мкс).

В социологии научного знания

Разработкой TEA Laser и тиражированием его создания в других исследовательских лабораториях занимался социолог Гарри Коллинз . Он проанализировал, как вместо того, чтобы построить лазер только на основе опубликованных источников, исследователи полагались на телефонные звонки и личные посещения лаборатории, чтобы получить навыки, необходимые для создания работающего TEA-лазера. Тем не менее, обмениваясь знаниями друг с другом, ученые также скрывали информацию, которую считали актуальной в условиях конкуренции между лабораториями (Коллинз, 1974). Эта статья 1974 года считается плодотворной, поскольку она представила пересмотренную концепцию неявного знания в социологии и истории науки.

См. также

• Азотный лазер

Ссылки

• Патель, CKN (25 мая 1964 г.). «Интерпретация экспериментов с оптическим мазером COM ₂ ». Письма о физических отзывах . 12 (21). Американское физическое общество (APS): 588–590. дои : 10.1103/physrevlett.12.588 . ISSN   0031-9007 .
• Болье, Эй Джей (15 июня 1970 г.). «CO ₂ -лазеры атмосферного давления с поперечным возбуждением». Письма по прикладной физике . 16 (12). Издательство AIP: 504–505. дои : 10.1063/1.1653083 . ISSN   0003-6951 .
• Пирсон, П.; Ламбертон, Х. (1972). «CO2-лазеры атмосферного давления, дающие высокую выходную энергию на единицу объема». Журнал IEEE по квантовой электронике . 8 (2). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 145–149. дои : 10.1109/jqe.1972.1076905 . ISSN   0018-9197 .
• Леваттер, Джеффри И.; Линь, Шао-Чи (1980). «Необходимые условия для однородного формирования импульсных лавинных разрядов при высоких давлениях газа». Журнал прикладной физики . 51 (1). Издательство АИП: 210–222. дои : 10.1063/1.327412 . ISSN   0021-8979 .
• Коллинз, HM (1974). «Набор ЧАЯ: неявное знание и научные сети» . Научные исследования . 4 (2): 165–185. ISSN   0036-8539 .

Внешние ссылки

• Создайте свой собственный TEA-лазер средней мощности с помощью легкодоступных компонентов.
• Мини-лазерная головка TEA CO2 с деталями конструкции