Як працює лазерна трубка і блок високої напруги?
Лазерна трубка являє собою скляну колбу, що має 3 внутрішні порожнини. Внутрішня і зовнішня порожнину заповнені сумішшю газів СO2-N2-He, середня порожнину призначена для охолодження лазерної трубки водою. На краях внутрішньої порожнини є електроди (Анод і Катод), на які подається електричний струм з блоку високої напруги. При подачі струму відбувається лазерне випромінювання.
Блок високої напруги - це блок живлення лазерної трубки, який створює заряд з високою напругою, що дозволяє лазерної трубці згенерувати лазерний промінь.
Принцип роботи блоку високої напруги:
- Чи включається сигнал на запуск блоку.
- Спрацьовує механізм підпалу. Він піднімає напругу до того моменту, поки не почнеться розряд (тобто, поки струм не потече від катода до анода). Якщо струм не потік, то блок високої напруги піднімає напругу до максимально можливого і може статися наступне:
а) Блок високої напруги самостійно відключиться;
б) Блок високої напруги продовжить видавати максимально можлива напруга, що швидко виведе з ладу його котушки запалювання і призведе блок в непридатність.
- Коли струм потече в лазерної трубці, в блоці високої напруги включається стабілізатор струму. Він підтримує задану силу струму в ланцюзі незалежно від зміни навантаження в електроланцюзі.
Основні характеристики струму, що передається від блоку високої напруги до лазерної трубці - це напруга і сила струму.
Напруга (кВ) - це робота по перенесенню електричного заряду від катода до анода. У різних лазерних трубок різне необхідну напругу для розпалювання. У лазерних трубок є характеристика «Напруга розпалювання» і «Робоча напруга». «Напруга розпалювання» - це та робота, яка дозволяє «поєднати» катод і анод лазерної трубки, щоб від катода до анода потік струм. Після того, як з'єднання встановилося, напруга зменшується, і лазерна трубка працює на зниженій напрузі, званому «Робочим напругою».
Сила струму (мА) - це кількість заряду, що переноситься за 1 одиницю часу. Збільшення сили струму збільшує кількість заряду, що переноситься з лазерної трубці.
Для роботи лазерної трубки зверніть увагу на таке:
I. Наявність в лазерної трубці речовини, в якому є нестабільні рівні.
У нашому випадку, даною речовиною виступає газ СО2 і He.
II. Створення інверсної заселеності.
Інверсна заселеність - стан квантової середовища, коли число заряджених частинок (ε2) більше незаряджених (ε1).
Якщо в активному середовищі створена інверсна заселеність, то випромінювання одного атома може вплинути на випромінювання інших атомів (сверхізлученія).
Інверсна заселеність створюється в лазерної трубці за допомогою електричного розряду. Вплив зовнішнього електромагнітного поля на газове середовище лазерної трубки (суміш СO2-N2-He) призводить до утворення в ній іонів і вільних електронів з додатковою кінетичної енергією, які, стикаючись з нейтральними атомами СО2, передають їм свою додаткову енергію, переводячи їх в збуджений стан (ε2).
Щоб в лазерної трубці створилася інверсна заселеність (ε2> ε1), необхідно досить заряду, який збільшується пропорційно силі струму (мА).
Генерація лазерного випромінювання виникає саме тоді, коли інверсія заселеності досягає деякого критичного значення. При малих токах накачування (мА) менше половини атомів активного середовища лазерної трубки знаходиться в збудженому стані. При збільшенні струму накачування (мА) досягається інверсія заселеності.
Кожна заряджена частка завжди буде прагнути повернутися в своє початкове стан (ε2-> ε1). Це один з принципів квантової фізики. В результаті переходу частки із збудженого стану в звичайне відбувається виділення електромагнітної хвилі (фотона).
Збуджені частки здатні випускати нові фотони:
При цьому новоутворений фотон випромінюється неупорядоченно (некогерентно), що не дозволяє нарощувати потужність основного потоку лазерного випромінювання. Є своєрідною «запалом» в процесі посилення і збудження коливання частинок.
Вимушене випромінювання фотона зазвичай відбувається в результаті:
1) Сутичок зарядженої частинки СО2 з нейтральним атомом або фотоном. В результаті такого зіткнення зіткнувся фотон створює новий фотон, які когерентні один одному. Ключовий момент у тому, що другий фотон має ту ж частоту, фазу, напрямок і поляризацію, що і перший, це властивість робить можливим процес оптичного посилення, тобто створення лазерного випромінювання.
2) Резонансна передача енергії від атомів N2. В результаті поглинання електромагнітного поля атоми N2 отримують додаткову кінетичну енергію, яку виділяють у вигляді коливань (резонансу), який в свою чергу передається порушених атомів СО2 і призводить їх до вимушеного випромінювання фотона.
3) Вплив зовнішнього електромагнітного поля. Важливо, що при инверсной заселеності переважають вимушені переходи (вимушено випромінювання) з випромінюванням когерентних фотонів. При цьому втрати енергії від переходів частинок в заряджене стан стає незначним.
При передачі енергії пристроєм накачування в активне середовище виникає надлишок збуджених атомів. Спонтанні фотони, що виникають всередині активної середовища, взаємодіють з порушеними атомами і, в кінцевому рахунку, ініціюють потужну лавину вимушено випущених фотонів, які і утворюють лазерний промінь.
III. Створення позитивного зворотного зв'язку (оптичний резонатор).
Оптичний резонатор складається зі скляної колби, зліва і справа якої упаяні 2 дзеркала: одне непрозоре (коефіцієнт відбиття 0,98), інше - напівпрозоре (коефіцієнт пропускання 0,5).
В оптичному резонаторі в результаті відображення відбувається інтерференція хвиль. Хвиля, що йде поблизу осі резонатора, посилюється в активному середовищі і періодично відбивається від дзеркал. При кожному відбитті хвиля частково проходить через напівпрозоре дзеркало і залишає резонатор. Відбита хвиля посилюється і при наступному відображенні знову частково виходить з резонатора. Для того, щоб пропущений світло фотонів можна було використовувати, необхідна досить потужна лавина когерентних фотонів.
При будь-якому відхиленні від горизонтальної осі резонатора хвиля відхиляється від горизонтальної осі все в більшій мірі і може виявитися за межами резонатора.
Якщо взяти все вищеописане, то виходить наступне: напруга електричного струму переводить частки молекул СО2 і He на вищий енергетичний рівень. Частинки з високим енергетичним рівнем стикаються з іншими частинками і випускають фотони, які збираються в загальний потік, багаторазово відбиваються від дзеркал і врешті-решт виходять через напівпрозоре дзеркало у вигляді лазерного випромінювання.
Як було написано вище, газова суміш в лазерної трубці складається з суміші вуглекислого газу, азоту і гелію. Зазвичай пропорції газів такі:
1хCO2 + 2xN2 + 7xHe або 1xCO2 + 1xN2 + 8xHe або 1xCO2 + 6xN2 + 12xHe
СО2 - основний компонент газової суміші, в молекулах якого є нестабільні рівні. В результаті переходів цих атомів від одних рівнів до інших поглинається або виділяється енергія. Поглинається зазвичай енергія електромагнітного поля, створювана лазерної трубкою укупі з блоком високої напруги. Виділяється енергія у вигляді фотона.
N2 - додатковий компонент газової суміші, який є хорошим резонатором. Поглинаючи енергію, азот переводить 95% такої енергії в коливання. Ці коливання переходять до молекул СО2, що змушує їх рухатися і зіштовхуватися між собою.
Чи не - багатофункціональний компонент газової суміші. По-перше, він збільшує швидкість і ефективність спустошення верхніх енергетичних рівнів, тобто збільшує швидкість і ефективність випускання нових фотонів. По-друге, висока теплопровідність гелію підтримує швидке виведення тепла з активної середовища, що підтримує низьку температуру СО2. А низька температура СО2 в свою чергу не дозволяє створити високу заселеність низьких енергетичних рівнів, що збільшує кількість заряджених частинок, які здатні випустити нові фотона. По-третє, висока теплопровідність гелію зменшує швидкість деградації газу СО2:
Q + 2CO2 → 2CO + O2, де Q - тепло
Атоми гелію настільки малі, що здатні без будь-якого зовнішнього впливу довільно проходити крізь кристалічну решітку скла, використовуваного для створення лазерної трубки. Це означає, що з плином часу гелій з газової суміші лазерної трубки буде випаровуватися. Таким чином, залежала трубка в відсутності достатньої кількості атомів гелію не дозволить ефективно використовувати всі наявні молекули СО2, а так само збільшить швидкість розпаду СО2. Це проявиться в низькій потужності випромінювання і швидкого виснаження лазерної трубки.
Для іонізації частинок газу в лазерної трубці необхідно високого напруження, що генерується блоком високої напруги. При пробоях на контактах анода і катода лазерної трубки і виснаженні газової суміші напруга, необхідне для розпалювання трубки (отримання зворотного зв'язку), зростає, опір лазерної трубки так само збільшується. У певний момент знадобиться напруга такої потужності, що блок високої напруги не впорається із завданням «підпалу» лазерної трубки і може статися електричний пробій всередині блоку. В результаті такого пробою електричний струм потрапить на металевий корпус блоку високої напруги, звідки далі потече в інші електронні компоненти верстата, а так само в тіло людини, який в той момент буде стосуватися верстата. Щоб уникнути виходу з ладу блоку високої напруги та інших пов'язаних з ним елементів (в т.ч. лазерної трубки), необхідно якісно ізолювати контакти з'єднання лазерної трубки і блоку високої напруги і заземлювати блок високої напруги.
Збільшення сили струму збільшує кількість заряду, що переноситься від катода до анода в лазерної трубці. Збільшення заряду збільшить кількість частинок в газовій суміші (в активному середовищі), що беруть участь в утворенні фотонів і створенні електромагнітної хвилі, яка на виході з лазерної трубки проявиться як лазерне випромінювання. Але не можна забувати, що контакти всередині лазерної трубки розраховані на певне максимальну кількість заряду, здатне проводити в одиницю часу. Це означає, що при перевищенні максимально можливої сили струму, анод буде руйнуватися, частинки його будуть потрапляти в газову суміш лазерної трубки, отруювати її і сприяти більш швидкому виходу з ладу лазерного випромінювача. До того ж і сам контакт може в підсумку вийти з ладу, що так само призведе лазерну трубку в непридатність.
Лазерна трубка має зворотну вольт-амперну характеристику, тому чим більше сила струму, тим менше напруга. При маленькій силі струму напруга настільки велике, що зростає небезпека пробою блоку високої напруги.
Для опису параметрів струму лазерної трубки є 2 найважливіших параметра: напруга (кВ) і сила струму (мА). Напругу можна розглядати як деяку величину, необхідну для розпалювання лазерної трубки. Надалі величина «робочої напруги» буде нижче «напруги розпалювання». Значить, при виборі блоку високої напруги до лазерної трубці необхідно, щоб блок високої напруги був здатний видавати як мінімум таку величину напруги, щоб зуміти запалити лазерну трубку. Практичний сенс в тому, що для розпалювання малопотужних трубок в принципі можна використовувати блоки, розраховані на більш потужні лазерні трубки. А ось ставити на малопотужні блоки трубки з високою потужністю не рекомендується, тому що якщо блок не зможе розпалити лазерну трубку, то він буде підвищувати потужність до тих пір, поки не вийде з ладу. Перейдемо до сили струму: важливо не подавати на лазерну трубку силу струму, яка не розрахована для даної моделі трубки. Перевищення сили струму виведе з ладу контакти лазерної трубки, що призведе її до швидкого виснаження і непридатності.
Таблиця 1 Характеристики лазерних трубок
Обмежити силу струму можна 2-ма шляхами:
1. Налаштувати блок високої напруги, щоб він максимально видавав силу струму саме таку, яка підійшла б вашої лазерної трубці.
2. Не використовувати блок високої напруги на 100% потужності, таким чином ви вручну знаходите якийсь межа потужності (у відсотках), вище якого використання вашого блоку високої напруги буде згубно для вашої лазерної трубки.
Потужність лазерної трубки можна збільшити декількома способами, один з яких доступний навіть споживачеві:
1. Змінити склад катода.
Катод лазерної трубки можна покрити золотом.
2. Збільшити довжину лазерної трубки або її діаметр.
Однією з характеристик, що описують резонатор Фабрі-Перо, який використовується в лазерних трубках, є Добротність резонатора (Q). Приблизно характеристику добротності можна описати як відношення потужності збереженої енергії до потужності втрат енергії. Добротність буде вище, якщо резонатор здатний запасти більше енергії, або ж втрати енергії в результаті відображень буде менше. Одна з формул, якою можна описати Добротність (Q) виглядає так:
L - довжина резонатора
r - коефіцієнт відбиття дзеркала резонатора
Звідси видно, що при збільшенні показника L (довжини резонатора) в чисельнику, ми збільшуємо добротність. Збільшуючи показник r (коефіцієнта відображення оптичного елемента) ми знижуємо значення знаменника, що знову ж таки збільшує добротність.
3. Сильно охолодити лазерну трубку.
При низьких температурах збуджених частинок в лазерної трубці стає більше, до того ж зменшується швидкість деградації газової суміші. Але пам'ятайте, що охолоджувати треба з розумом!
Так само є один з доступних способів охолодження лазерної трубки до температури нижче точки роси: провести різні контури охолодження для оптики лазерної трубки і решті її частини. Для цього необхідно створити додатковий контур охолодження навколо оптики лазерної трубки, куди подавати воду на 2-3 градуси вище точки роси, щоб уникнути запотівання. Наприклад, обмотати навколо оптичних елементів тонкі силіконові трубки, через які подавати теплу воду.
Лазерні трубки зазвичай розраховані працювати при температурах від +10 до +40 градусів за Цельсієм. Але, як було написано вище, чим менше температура експлуатації газу СО2, тим повільніше буде відбувається його розпад. Оптимальною температурою експлуатації в приміщенні з температурою +25 градусів за Цельсієм і вологістю 45-55% вважається +14 градусів за Цельсієм. Тобто, температура рідини, що охолоджує трубку, повинна бути +14 градусів за Цельсієм. Можна було б охолодити трубку ще більше, але виникає проблема в оптичному резонаторі лазерної трубки. По краях резонатора стоять дзеркала, які здатні пітніти при досягненні точки роси. Запітніле напівпрозоре дзеркало сильно знижує його здатність до пропуску лазерного випромінювання. Тому температура охолоджуючої рідини повинна бути вище на 2-3 градуси за Цельсієм розрахованої точки роси для приміщення, в якому знаходиться лазерна трубка. Так само треба врахувати, що при наближенні до точки роси на оптиці лазерної трубки виникатиме конденсат. Якщо цей конденсат утворюється на контактах лазерної трубки, то це може вивести з ладу і трубку, і блок високої напруги. Хороша ізоляція контактів допоможе уникнути виникнення даної ситуації. Охолоджувати трубку можна не тільки дистильованою водою, але і різними холодоагентами, в т.ч. антифризом. Але це має сенс робити тільки в тих випадках, коли температура і вологість приміщення дозволяє охолоджувати лазерну трубку до негативних температур. Варто також пам'ятати, що теплоємність антифризу на 25% нижче теплоємності води, так що вода як охолоджувач ефективніше на чверть. Збуджені частки в активному середовищі лазерної трубки випускають світність. Це проявляється в червоному, іноді фіолетовому світлі, що виходить від потоку лазерного випромінювання всередині лазерної трубки, який рухається уздовж осі резонатора. Чим більше атомів бере участь в створенні електромагнітної хвилі, тим більш насиченим буде світло всередині лазерної трубки. Світіння газу в даному випадку - це коливання молекул з однаковою частотою. З виснаженням газової суміші колір випромінювання всередині трубки буде біліти. Але білий промінь всередині лазерної трубки говорить не тільки про виснаження газової суміші. При високих температурах охолоджуючої рідини, починаючи від 23-25 градусів за Цельсієм, потужність лазерної трубки може помітно знизитися і промінь побіліє. Це говорить про перегрів газової суміші: заселяються нижні енергетичні рівні, лазерна трубка не може ефективно використовувати наявні в її розпорядженні атоми СО2; збільшується швидкість розпаду СО2.
Таблиця 4 Підбір чилера для охолодження лазерної трубки