Cum funcționează tubul laser și unitatea de înaltă tensiune?
Tubul laser este un bec de sticlă cu 3 cavități interne. Cavitățile interioare și exterioare sunt umplute cu un amestec de gaze CO2-N2-He, cavitatea de mijloc este concepută pentru răcirea tubului laser cu apă. La marginile cavității interne se găsesc electrozi (anod și catod), care sunt alimentați cu curent electric de la unitatea de înaltă tensiune. Când se aplică curentul, se produce radiații laser.
Unitatea de înaltă tensiune este o sursă de alimentare cu tub cu laser care generează o încărcătură cu o tensiune ridicată, care permite tubului laser să genereze un fascicul laser.
Principiul funcționării unității de înaltă tensiune:
- Semnalul pentru pornirea aparatului este pornit.
- Mecanismul de aprindere este activat. Ridică tensiunea până la începerea descărcării (adică până când curentul curge de la catod la anod). Dacă curentul nu curge, unitatea de înaltă tensiune ridică tensiunea la maximul posibil și pot apărea următoarele:
a) Unitatea de înaltă tensiune se oprește automat;
b) Unitatea de înaltă tensiune va continua să producă tensiunea maximă posibilă, care va dezactiva rapid bobinele de aprindere și va face unitatea inutilizabilă.
- Când curentul curge în tubul laser, regulatorul de curent se aprinde în unitatea de înaltă tensiune. Acesta menține un curent dat în circuit, indiferent de schimbarea sarcinii în circuitul electric.
Principalele caracteristici ale curentului transferat de la unitatea de înaltă tensiune la tubul laser sunt tensiunea și curentul.
Tensiunea (kV) este lucrarea privind transferul încărcării electrice de la catod la anod. Diferitele tuburi laser au o tensiune diferită necesară pentru aprindere. Tuburile laser au o caracteristică de "tensiune de aprindere" și "tensiune de lucru". "Tensiunea de aprindere" este lucrarea care permite "conectarea" catodului și anodului tubului laser astfel încât un curent să curgă de la catod la anod. După stabilirea conexiunii, tensiunea scade, iar tubul laser funcționează la o tensiune mai mică, denumită "Tensiune de lucru".
Puterea curentului (mA) este cantitatea de încărcare efectuată pe unitatea de timp. Creșterea amperajului crește cantitatea de încărcare purtată de tubul laser.
Tubul laser necesită următoarele:
I. Prezența în tubul laser a unei substanțe în care există nivele instabile.
În cazul nostru, această substanță este un gaz de CO2 și El.
II. Crearea populației inverse.
Populația inversă este starea unui mediu cuantic atunci când numărul de particule încărcate (ε2) este mai mare decât particulele neîncărcate (ε1).
În cazul în care o populație inversă este creată în mediul activ, radiația unui atom poate afecta emisia altor atomi (supraradiție).
Populația inversă este creată într-un tub cu laser prin intermediul unei descărcări electrice. Impactul câmpurilor electromagnetice externe într-un mediu laser tub de gaz (amestec de CO2-N2-He) conduce la formarea de ioni și electroni liberi cu energie cinetică suplimentară, care, atunci când se confruntă cu atomi de CO2 neutri le transmit energia lor suplimentară le va transfera către starea excitată (ε2).
Pentru a crea o populație inversată (ε2> ε1) în tubul laser, este necesară o sarcină care crește proporțional cu curentul (mA).
Generarea radiațiilor laser are loc exact atunci când inversarea populației atinge o anumită valoare critică. La curenții mici ai pompei (mA), mai puțin de jumătate din atomii din mediul activ al tubului laser sunt în stare excitată. Cu o creștere a curentului de pompare (mA), se obține inversarea populației.
Fiecare particulă încărcată va avea întotdeauna tendința de a reveni la starea inițială (ε2 -> ε1). Acesta este unul dintre principiile fizicii cuantice. Ca urmare a tranziției unei particule de la starea excitat la cea obișnuită, se eliberează un val electromagnetic (foton).
Particulele excitate pot emite noi fotoni:
În acest caz, fotonul nou format este emis în mod necorespunzător (incoerent), ceea ce nu permite creșterea puterii fluxului principal de radiații laser. Este un fel de "sămânță" în procesul de amplificare și excitație a oscilațiilor particulelor.
Emisiile fotonice forțate apar de obicei ca urmare a:
1) Coliziuni ale unei particule încărcate de CO2 cu un atom neutru sau foton. Ca urmare a unei astfel de coliziuni, un foton care cadează creează un nou foton, care sunt coerente între ele. Punctul cheie este acela că cel de-al doilea foton are aceeași frecvență, fază, direcție și polarizare ca prima, această proprietate face posibilă procesul de amplificare optică, adică crearea de radiații laser.
2) Transferul de energie rezonantă din atomii de N2. Absorbția electromagnetice atomilor câmpului N2 primesc energie cinetică suplimentară, care este izolat sub formă de vibrații (rezonanță), care este la rândul său, a transmis atomii de CO2 excitat și le conduce la o emisie stimulată de fotoni.
3) Efectele unui câmp electromagnetic extern. Este important ca, în cazul populației inverse, tranzițiile forțate (emisiile stimulate) să predomine emisiei de fotoni coerenți. În acest caz, pierderea de energie din tranziția particulelor la starea încărcată devine nesemnificativă.
Atunci când energia este transferată de dispozitivul de pompare către mediul activ, apare un exces de atomi excitați. Fotonii spontani care apar în mediul activ interacționează cu atomii excitați și, în final, inițiază o avalanșă puternică de fotoni emise stimulat, care formează un fascicul laser.
III. Crearea feedback-ului pozitiv (rezonator optic).
Rezonatorul optic este alcătuit dintr-un bec de sticlă, în partea stângă și spre dreapta a cărui două oglinzi sunt lipite: una este opacă (coeficientul de reflexie 0,98), cealaltă este semi-transparentă (transmisie 0,5).
Interferența valurilor apare în rezonatorul optic ca urmare a reflexiei. Unda care se deplasează în apropierea axei rezonatorului este amplificată în mediul activ și reflectată periodic din oglinzi. La fiecare reflecție, valul trece parțial printr-o oglindă semitransparentă și părăsește rezonatorul. Unda detașată este amplificată și, la următoarea reflecție, iese din nou parțial din rezonator. Pentru ca lumina fotonică transmisă să poată fi utilizată, este necesară o avalanșă suficient de puternică de fotoni coerenți.
Pentru orice abatere de la axa orizontală a rezonatorului, undele deviază din ce în ce mai mult de la axa orizontală și pot fi în afara rezonatorului.
Dacă luăm toate cele de mai sus, obținem următoarele: o tensiune electrică are nevoie de particule și a CO2, molecule la un nivel mai ridicat de energie. Particulele cu un nivel ridicat de energie intră în coliziune cu alte particule și emit fotoni, care sunt colectate într-un flux comun reflectat în mod repetat, de oglindă și în cele din urmă de ieșire prin oglindă semitransparentă sub formă de radiație laser.
Așa cum a fost scris mai sus, amestecul de gaze din tubul laser constă dintr-un amestec de dioxid de carbon, azot și heliu. De obicei, proporțiile de gaze sunt:
1xCO2 + 2xN2 + 7xHe sau 1xCO2 + 1xN2 + 8xHe sau 1xCO2 + 6xN2 + 12xHe
CO2 este componenta principală a amestecului de gaze, în moleculele cărora există nivele instabile. Ca urmare a tranzițiilor acestor atomi de la un nivel la altul, energia este absorbită sau eliberată. De obicei, energia câmpului electromagnetic generată de tubul laser împreună cu unitatea de înaltă tensiune este absorbită. Energia este eliberată sub forma unui foton.
N2 este o componentă suplimentară a amestecului de gaze, care este un bun rezonator. Absorbind energia, azotul transferă 95% din această energie în vibrații. Aceste oscilații trec la moleculele de CO2, ceea ce îi determină să se miște și să se ciocnească unul cu celălalt.
Componenta non-multifuncțională a amestecului de gaze. În primul rând, crește viteza și eficiența devastării nivelurilor energetice superioare, adică crește viteza și eficiența emisiei de fotoni noi. În al doilea rând, conductivitatea termică ridicată a heliului susține eliminarea rapidă a căldurii din mediul activ, care menține o temperatură scăzută a CO2. Temperatura scăzută a CO2, la rândul său, nu permite crearea unei populații ridicate de niveluri scăzute de energie, ceea ce crește numărul de particule încărcate care pot emite noi fotoni. În al treilea rând, conductivitatea termică ridicată a heliului reduce viteza de degradare a gazului de CO2:
Q + 2CO2 → 2CO + O2, unde Q este căldura
Atomii de heliu sunt atât de mici încât pot trece arbitrar prin rețeaua de cristal a sticlei folosite pentru a crea tubul laser fără influență externă. Aceasta înseamnă că, în timp, heliul din amestecul de gaz al tubului laser se va evapora. Astfel, un tub învechit în absența unui număr suficient de atomi de heliu nu va permite utilizarea eficientă a tuturor moleculelor de CO2 disponibile și, de asemenea, va crește rata de degradare a CO2. Acest lucru se va manifesta prin scăderea puterii radiațiilor și epuizarea rapidă a tubului laser.
Pentru a ioniza particule de gaz într-un tub cu laser, este necesară o tensiune ridicată generată de unitatea de înaltă tensiune. La distrugerea contactelor anodului și catodului tubului laser și epuizarea amestecului de gaze, crește tensiunea necesară pentru aprinderea tubului (obținerea de reacție), rezistența tubului laser crește de asemenea. La un moment dat, este necesară o tensiune de o astfel de putere, încât unitatea de înaltă tensiune să nu poată face față sarcinii de "aprindere" a tubului laser și ar putea să apară defecțiuni electrice în interiorul aparatului. Ca urmare a acestei defecțiuni, curentul electric va cădea pe carcasa metalică a unității de înaltă tensiune, din care va curge în alte componente electronice ale mașinii, precum și în corpul persoanei care în acel moment va atinge mașina. Pentru a evita defectarea unității de înaltă tensiune și a altor elemente asociate (inclusiv tubul laser), este necesar să se izoleze contactele tubului laser și conexiunea la unitatea de înaltă tensiune și să se măreste calitativ unitatea de înaltă tensiune.
Creșterea amperajului mărește numărul de încărcări transferate de la catod la anodul din tubul laser. Creșterea încărcării va crește numărul de particule din amestecul de gaze (în mediul activ) implicat în formarea fotonilor și crearea unui val electromagnetic care se va manifesta ca radiație laser la ieșirea din tubul laser. Dar nu trebuie să uităm că contactele din interiorul tubului laser sunt proiectate pentru o anumită cantitate maximă de încărcare, capabilă să conducă pe unitate de timp. Aceasta înseamnă că, dacă se depășește puterea maximă posibilă, anodul va fi distrus, particulele sale vor cădea în amestecul gazos al tubului laser, îl vor otrăvi și vor contribui la o eșecare mai rapidă a emițătorului laser. În plus, contactul în sine poate în cele din urmă să nu reușească, ceea ce va cauza, de asemenea, ca tubul laser să devină inutilizabil.
Tubul laser are o caracteristică inversă volt-ampere, deci cu cât este mai mare rezistența curentului, cu atât tensiunea este mai mică. Cu o putere mică de curent, tensiunea este atât de mare încât crește riscul de defectare a unității de înaltă tensiune.
Pentru a descrie parametrii curenți ai tubului laser, există doi parametri importanți: tensiunea (kV) și curentul (mA). Tensiunea poate fi considerată ca o valoare necesară pentru aprinderea tubului laser. În viitor, valoarea "tensiunii de lucru" va fi mai mică decât "tensiunea de aprindere". Prin urmare, atunci când alegeți o unitate de înaltă tensiune la tubul laser, este necesar ca unitatea de înaltă tensiune să poată da cel puțin o asemenea valoare de tensiune pentru a putea lumina tubul laser. Sensul practic este că, în principiu, este posibil să se utilizeze blocuri proiectate pentru tuburi laser mai puternice pentru aprinderea tuburilor cu putere redusă. Dar nu se recomandă plasarea unui tub cu putere mare pe blocuri de putere redusă, deoarece dacă unitatea nu poate lumina tubul laser, va crește puterea până când acesta nu reușește. Să trecem la puterea actuală: este important să nu aplicăm curentul la tubul laser, care nu este calculat pentru acest model al tubului. Depășirea intensității actuale va deteriora contactele tubului laser, ceea ce va duce la epuizarea rapidă și la incompetență.
Tabelul 1 Caracteristicile tuburilor cu laser
Puteți să limitați curentul în două moduri:
1. Instalați o unitate de înaltă tensiune pentru a maximiza curentul care se potrivește cu tubul dvs. laser.
2. Nu utilizați unitatea de înaltă tensiune la o putere de 100%, astfel încât să găsiți manual o anumită limită de putere (în procente) de deasupra căreia utilizarea unității dvs. de înaltă tensiune va fi în detrimentul tubului laser.
Puterea tubului laser poate fi mărită în mai multe moduri, dintre care una este accesibilă și consumatorului:
1. Schimbați compoziția catodului.
Catodul tubului laser poate fi acoperit cu aur.
2. Măriți lungimea tubului laser sau diametrul acestuia.
Una dintre caracteristicile care descriu rezonatorul Fabry-Perot, utilizat în tuburile cu laser, este factorul Q al rezonatorului. Aproximativ, factorul Q poate fi descris ca raportul dintre energia stocată și pierderea de putere. Factorul Q va fi mai mare dacă rezonatorul este capabil să stocheze mai multă energie sau pierderile de energie datorate reflexiilor vor fi mai mici. Una dintre formulele care pot fi descrise ca factor Q (Q) arată astfel:
L este lungimea rezonatorului
r este coeficientul de reflexie al oglinzii rezonatoare
Din aceasta este clar că atunci când indicatorul L (lungimea rezonatorului) este mărit în numărător, măreștem factorul de calitate. Prin creșterea exponenților r (coeficientul de reflexie al elementului optic), reducem numitorul, ceea ce mărește din nou factorul de calitate.
3. Răciți puternic tubul laser.
La temperaturi scăzute, particulele excitate din tubul laser devin mai mari, iar viteza de degradare a amestecului de gaz scade. Dar amintiți-vă, trebuie să vă răcoriți cu mintea!
Există, de asemenea, una dintre metodele disponibile pentru răcirea tubului laser sub punctul de rouă: pentru a efectua diferite circuite de răcire pentru optica tubului laser și a restului acestuia. Pentru a face acest lucru, este necesar să se creeze un circuit suplimentar de răcire în jurul opțiunii tubului laser, în cazul în care acesta trebuie să alimenteze cu apă 2-3 grade peste punctul de rouă pentru a evita formarea de ceață. De exemplu, înfășurați elementele optice ale tuburilor siliconice subțiri prin care să furnizați apă caldă.
Tuburile laser sunt de obicei concepute pentru a funcționa la temperaturi cuprinse între +10 și +40 grade Celsius. Dar, așa cum a fost scris mai sus, cu cât temperatura de funcționare a gazului de CO2 este mai scăzută, cu atât va fi mai slabă decăderea. Temperatura optimă de funcționare într-o încăpere cu o temperatură de +25 grade Celsius și umiditate de 45-55% este considerată a fi de +14 grade Celsius. Aceasta înseamnă că temperatura lichidului care răcește tubul trebuie să fie de +14 grade Celsius. Ar fi posibil să se răcească și mai mult tubul, dar apare o problemă în rezonatorul optic al tubului laser. La margini ale rezonatorului sunt oglinzi, care sunt capabili de ceață la atingerea punctului de rouă. O oglindă semi-transparentă conturată reduce considerabil capacitatea sa de a sări peste radiația laser. Prin urmare, temperatura lichidului de răcire trebuie să fie mai mare cu 2-3 grade Celsius a punctului de rouă calculat pentru camera în care este localizat tubul laser. De asemenea, trebuie să se țină seama de faptul că la optica tubului laser va apărea condens atunci când se apropie punctul de rouă. Dacă acest condens se formează pe contactele tubului laser, atunci acesta poate dezactiva atât tubul, cât și unitatea de înaltă tensiune. O bună izolare a contactelor va contribui la evitarea acestei situații. Este posibil să se răcească tubul nu numai cu apă distilată, ci și cu diverse agenți frigorifici, inclusiv. antigel. Dar este logic să faceți acest lucru numai în cazul în care temperatura și umiditatea camerei vă permit să răciți tubul laser la temperaturi negative. De asemenea, merită să ne amintim că capacitatea termică a antigelului este cu 25% sub capacitatea de căldură a apei, astfel încât apa ca un răcitor este mai eficientă cu un sfert. Particulele excitate din mediul activ al tubului laser emit luminozitate. Aceasta se manifestă prin lumina roșie, uneori violetă, care emană din fasciculul laser din interiorul tubului laser, care se deplasează de-a lungul axei rezonatorului. Mai mulți atomi participă la crearea unui val electromagnetic, cu atât mai intensă este lumina din interiorul tubului laser. Strălucirea unui gaz în acest caz este vibrația moleculelor cu aceeași frecvență. Odată cu epuizarea amestecului de gaze, culoarea radiației din interiorul tubului va deveni albă. Dar raza albă din tubul laser spune nu numai despre epuizarea amestecului de gaze. La temperaturi ridicate ale agentului de răcire, care variază de la 23-25 grade Celsius, puterea tubului laser poate scădea semnificativ și fasciculul va deveni alb. Acest lucru indică supraîncălzirea amestecului de gaze: nivelurile de energie inferioare sunt populate, tubul laser nu poate folosi eficient atomii de CO2 disponibili; rata de descompunere a CO2 crește.
Tabelul 4 Selectarea răcitorului de lichid pentru răcirea tubului laser
Trimiteți-le prietenilor: