Тема: Лазер из двух алюминиевых труб

[вв-21]

TruCoax - родственник быстропроточного Truflow. В нем та же рабочая среда С02, длина волны излучения /,=10,6 мкм такая же, и работает он в непрерывном и импульсном режимах генерации, и выходной луч имеет расхождение, близкое к дифракционному.  У TruCoax выходная мощность или 1000, или 2000 Вт. Газ внутри резонатора не циркулирует, а остается неподвижным, что при маленьком объеме с большой площадью поверхности позволяет эффективно отводить тепло. Именно поэтому источник построен как замкнутая система - для работы необходимо только электрическое подключение. Баллон с газом С02 необходимо заменять через год или два. Сам резонатор состоит из двух алюминиевых труб, вставленных одна в другую. Они выполняют роль двух электродов. Лазерный луч генерируется между трубами, а его отражение происходит на зеркалах, расположенных в торце. Благодаря такой конструкции лазерный луч при многократных отражениях остается параллельным даже при тепловой деформации труб, появляющейся из-за нагревания.
Взято отсюда: http://www.photonics.su/files/article_pdf/2/article_2494_370.pdf
Кто нибудь, плиз, ткните пальчиком туда, где можно поподробнее узнать как эта конструкция устроена!
С уважением, ВВ.

[Gall]

А, эти...

Устройство точно такое же, как у любого другого отпаянного CO2-лазера, но стекло трубки в основном заменено металлом, играющим одновременно роль электродов. Обычно у лазера электроды находятся по концам трубки, а у этого один электрод в центре, а другой - сама трубка. Все просто.

В остальном см. любую литературу по конструкциям лазеров, например Айхлера или Звелто.

[вв-21]

Спасибо. Мне непонятно где, в каком месте происходит разряд. В случае стеклянной (кварцевой) трубки, полагаю, разряд происходит на торцах, там кольцевые электроды. А фразу  "Лазерный луч генерируется между трубами" можно понять двояко. Либо разряд происходит между трубами в радиальном направлении (тогда как луч попадает на зеркала?), или разряд происходит вдоль оси трубок (как при обычной компоновке), при условии, что вся поверхность трубок покрыта изолятором кроме тех участков, которые возле зеркал и служат в качестве кольцевых электродов. Хорошо бы на эскизик посмотреть...
ВВ.

[nerv]

Спасибо. Мне непонятно где, в каком месте происходит разряд. В случае стеклянной (кварцевой) трубки, полагаю, разряд происходит на торцах, там кольцевые электроды. А фразу  "Лазерный луч генерируется между трубами" можно понять двояко. Либо разряд происходит между трубами в радиальном направлении (тогда как луч попадает на зеркала?), или разряд происходит вдоль оси трубок (как при обычной компоновке), при условии, что вся поверхность трубок покрыта изолятором кроме тех участков, которые возле зеркал и служат в качестве кольцевых электродов. Хорошо бы на эскизик посмотреть...
ВВ.

Разряд происходит в объеме, а не на торцах. Л. луч генерируется в объеме между труб. Направление разряда никак не связано с направлением луча.
Вот и эскизик. Вроде все должно быть понятно.
Ну и напоследок вопрос - как добиться равномерного объмного разряда между электродами в этой конструкции?

[Gall]

Да, картинка верная. Генерация действительно идет на кольцевой моде, что, впрочем, фокусировке луча не мешает.

Равномерности разряда добиваются, скорее всего, введением искусственной НЕравномерности. Какое-нибудь рифление на внутренних поверхностях трубок, чтобы вместо одного большого разряда создавалось много маленьких, заполняющих почти все пространство. Сила тока в каждом из разрядов близка к насыщению, поэтому ни один из них не может оттянуть весь ток на себя (отрицательная обратная связь).

Идею очень хорошо иллюстрирует любительский азотный/многогазовый лазер Дианы Найзиус (http://www.diane-neisius.de/):



Здесь вместо традиционных двух параллельных линеек использованы мелкие электроды в шахматном порядке.

[вв-21]

Благодарю за ликбез!
Если не затруднит, еще один ответ, плиз.
Зависит ли мощность излучения лазера от плотности электрического разряда?  Поясню: например, в плазматронах применяется такой метод: разряд для повышения мощности факела, обжимается рабочим газом подаваемым тангенциально или разряд обжимается магнитным полем. Шнур разряда уменьшает свое сечение, при этом ток остается прежним. Соответственно плотность тока в шнуре возрастает, а температура повышается (тысяч до 50-ти Цельсия) сила света возрастает многократно.
Так вот, разряд в трубке газового лазера можно аналогично обжать (магнитным полем) до тонкого шнура по оси трубки. Концентрация фотонов на единицу площади в шнуре резко повысится... Или я не прав?
ВВ.

[Gall]

С лазером все хитро.

У любой лазерной среды есть два параметра - порог лазерной генерации (при которой генерация вообще начинается) и предел мощности (энергии). Мощность/энергия зависит в первую очередь от количества атомов вещества, задействованных в генерации (бухгалтерия: 1 накачанный (возбужденный) атом способен излучить 1 фотон). У большинства газовых лазеров именно объем (точнее, масса) газа лимитирует мощность.

Пороговая энергия генерации определяется обратной связью (количеством прохождений одного фотона через рабочее тело лазера, т.е. качеством зеркал и потерями) и свойствами среды (сечением взаимодействия). Лазер начинает генерировать тогда, когда вероятность столкновения фотона с накачанным атомом становится выше, чем вероятность его поглощения или ухода из резонатора. Можно показать, что порог генерации пропорционален площади сечения (т.е. чем тоньше лазер, тем легче заставить его работать), но от длины не зависит (чем длиннее лазер, тем меньше может быть процент накачанных (возбужденных) атомов для той же вероятность столкновения).

Еще один важный фактор газовых лазеров - время релаксации атома после излучения фотона (т.е. промежуток времени от акта излучения фотона до возможности повторной накачки того же атома). Тут хитрость: вероятность релаксации в газе очень мала, но она велика на СТЕНКАХ трубки, т.к. для этого требуется трехчастичное взаимодействие. И второй фактор - время жизни возбужденного состояния (т.е. шансы атома "дотерпеть" до момента, когда его ударит фотон).

Собираем все вместе. Сжатие шнура разряда - отчасти хорошо (плотность ГАЗА повышается, плотность ТОКА роли не играет). Повышение температуры - плохо (время жизни возбужденного состояния падает, отсюда и яркое свечение). Повышение плотности тока - нейтрально или плохо (начинают возбуждаться нелазерные уровни). Удаление разряда от стенок - плохо ("отравление" зоны разряда "уставшими" атомами, не имеющими шансов на релаксацию). Поступление свежего газа (если обдувать) - хорошо. Все вместе - скорее плохо, чем хорошо, но вообще зависит от ситуации.

[вв-21]

В таком случае несколько условий для успешной генерации:
Разряд должен занимать возможно больший объем в активной среде.
Сечение разряда чем больше - тем лучше.
Чем ниже температура разряда (и корпуса) - тем лучше.
И, разумеется, чем меньше потери в виде "ушедших в сторону" фотонов - тем лучше.
Что я упустил?
Сорри, что я терзаю такими вопросами, в доступной литературе, в таком ключе ответы сложно отыскать...
ВВ.

[Gall]

В таком случае несколько условий для успешной генерации:
Разряд должен занимать возможно больший объем в активной среде.

Возможно больший объем, но необязательно возможно больший процент объема. В гелий-неоновых лазерах, например, делают большой резервуар с "запасным" газом, чтобы газ в разряде постоянно заменялся свежим и успевал релаксировать.

Сечение разряда чем больше - тем лучше.

Нет. Скорее даже наоборот. Больше сечение - больше порог генерации, труднее накачивать. Больше сечение - толще луч, хуже модовая структура луча, труднее фокусировать. Поэтому мощность обычно стараются получать за счет наращивания длины трубки (вдоль луча), не увеличивая толщину самого луча. Но всему есть предел, поэтому на очень больших мощностях и диаметр увеличивают тоже.

При продольной накачке существует оптимальный диаметр (рассчитывается), при котором КПД лазера наивысший. Для накачки поперечным разрядом я таких формул не знаю.

Чем ниже температура разряда (и корпуса) - тем лучше.

Как правило да. Формально лазер работает при "отрицательной" температуре, термодинамическая температура его луча довольно низка (луч очень упорядочен). Высокая температура вносит беспорядок. Имеется в виду в первую очередь температура среды, разряда в плазме и т.д. - чем холоднее, тем лучше.

И, разумеется, чем меньше потери в виде "ушедших в сторону" фотонов - тем лучше.

Спорно. С одной стороны, это конечно КПД, но с другой стороны ушедшие в сторону фотоны - это брак, фотоны неправильной длины волны и фазы, которые испортят когерентность луча и затруднят его фокусировку. Поэтому во многих лазерах стараются их как можно быстрее вывести из игры. Этому способствует как раз тонкий длинный канал - если фотон пошел не туда, он вылетит из канала сразу и не успеет "нахулиганить" по дороге - разрядить на свое усиление несколько атомов. В толстом канале "неправильные" фотоны успевают провзаимодействовать и оттянуть на себя часть полезной энергии. Чем раньше "брак" будет удален, тем лучше.

В лазерах высокой когерентности (жидкостных и т.д.) используют не просто два зеркала, а сложную систему зеркал и фильтров, которая не дает шансов "бракованным" фотонам. В лазерах для резки и сварки очень высокая когерентность обычно не требуется, поэтому естественное удаление неудачных фотонов через края вполне достаточно.

Чтобы "процент брака" был невелик, лазеры обычно стараются конструировать с наименьшей возможной мощностью накачки (исходя из желаемой мощности лазера и порога, разумеется). Тогда лазер излучает довольно мало фотонов спонтанно, большая часть фотонов будет результатом усиления (вынужденного излучения). "Перекачанный" лазер помимо собственно лазерного луча начинает испускать много мусора, в конечном итоге на выход не попадающего. Очень показательный пример - органические красители, которые при слишком мощной накачке начинают испускать огромное количество паразитных лучей во все стороны (в роли зеркал могут выступать, например, блестящие стенки кюветы красителя). Разумеется, эти лучи уносят с собой всю энергию, и основному лучу почти ничего не остается.

Сорри, что я терзаю такими вопросами, в доступной литературе, в таком ключе ответы сложно отыскать...
ВВ.

Для того и существует этот форум

[nerv]

Картинка с сайта Дианы Найзиус настолько плохого качества, что разобрать что к чему практически невозможно. Куски шпилек с гайками - электроды?

Фактически коаксиальный лазер описанной конструкции, это л. с поперечным разрядом, но свернутый в "трубочку".
Из всего вышесказанного можно сделать несколько замечаний к конструкции такого лазера:
Диаметры трубок близки, для увеличения общей площади теплоотвода и уменьшения необходимого напряжения питания лазера. Охлаждение можно осуществлять протоком жидкости через внутреннюю трубку и обдувом, либо омыванием внешней трубки.
Трубки НЕ зеркальные, не полированные, для предотвращения возникновения генерации в поперечном направлении.
Для создания неравномерности эл. поля можно попробовать применить перфорацию в "домашней" конструкции, либо напыление(нанесение) на один из электродов НЕ сплошного слоя диэлектрика.
Из проблем мне пока видится след.: концентричное закрепление электродов без ухудшения пучка. Либо как-то кепить трубки к прозрачным окнам/зеркалам, либо что-то еще.

Про кучу маленьких разрядов Месяц писал что это ухудшает качество пучка и КПД. Вернее не "разряды", а стримеры.

[вв-21]

Интересно, а на сколько (пусть теоретически) могут быть близки диаметры трубок? Какая минимальная длина трубок может в таком случае быть? Что ее ограничивает? Какой диаметр внешней трубки в пределах разумного?
По поводу охлаждения трубок... В случае такой конструкции возникает масса вариантов от банального оребрения обеих трубок и их обдува (омывания) до применения тепловых труб. Незеркальность поверхности трубок, аналогично, несколько вариантов: пескоструйная обработка, обработка по технологии ДИМЕТ, химобработка... Т.е. это совершенно не проблема. Далее, концентричное закрепление трубок: в такой конструкции центральная часть зеркал не используется, поэтому можно выполнить зеркала с монтажными отверстиями по центру и через эти отверстия стянуть (утрирую) всю конструкцию болтом. Можно без отверстий, поместить всю конструкцию в корпус, алюминиевый кирпич в котором расточено отверстие (канал) который выполняет функцию внешней трубки, а внутреннюю трубку подпереть глухим зеркалом, которое поджать, например, кольцевой гайкой. Да здесь масса вариантов. И еще одна деталь, мех обработка на станке, который не потерял точность, позволит сразу, при изготовлении, получить высокую точность перпендикулярности и параллельности, что позволит отказаться от подстроечных узлов положения зеркал.
ВВ.

[Gall]

Картинка с сайта Дианы Найзиус настолько плохого качества, что разобрать что к чему практически невозможно. Куски шпилек с гайками - электроды?

Да. Это трубка из оргстекла, в которой просверлены дырки по бокам и вставлены электроды (обычные винты). Получается чередование полюсов "плюс-минус-плюс-минус" по всей длине трубки.

К сожалению, сайт Дианы очень старый, фотографии соответствующие (это снято лет 10 назад на веб-камеру того времени). Где-то там же есть отсканированный чертеж, можно по нему ориентироваться.

либо напыление(нанесение) на один из электродов НЕ сплошного слоя диэлектрика.

Диэлектрик сгорит. Возможные варианты:
1) труба из термостойкого теплопроводящего диэлектрика вроде керамики, насверлить дырочек и снаружи надеть металлическую трубу.
2) металлическая труба, снаружи постучать кернером, чтобы получились "шипы" внутрь.
В обоих случаях сначала потребуется расчет количества и размеров неоднородностей.

либо напыление(нанесение) на один из электродов НЕ сплошного слоя диэлектрика.

Из проблем мне пока видится след.: концентричное закрепление электродов без ухудшения пучка. Либо как-то кепить трубки к прозрачным окнам/зеркалам, либо что-то еще.[/quote]
В середине может быть и стержень. Пропустить через отверстия в окнах, конечно.

Про кучу маленьких разрядов Месяц писал что это ухудшает качество пучка и КПД. Вернее не "разряды", а стримеры.

Тут уж выбирать - либо высокое качество, либо малые габариты при большой мощности. Вообще в нормальных условиях разряд будет один сплошной с делением на что-то стримероподобное только около поверхности внешнего электрода (там все равно нет генерации). Отдельные стримеры будут образовываться только местно и только в случае сильных неоднородностей, т.е. в нештатной ситуации.

[Gall]

Интересно, а на сколько (пусть теоретически) могут быть близки диаметры трубок? Какая минимальная длина трубок может в таком случае быть? Что ее ограничивает? Какой диаметр внешней трубки в пределах разумного?

Общий объем ограничен мощностью лазера; "1 молекула = 1 фотон", отсюда определяется необходимое количество вещества в луче. (Т.е. если хотим сохранить мощность, объем надо сохранять примерно постоянным). Если хочется сделать очень маленький объем, придется хитрить с составом газа (временем жизни состояний). В лазерах на жидкостях и твердых телах проблемы нет, там можно микронные размеры делать.

Что касается диаметра, то тут ограничение не физическое. Маленький лазер не имеет смысла делать коаксиальным, простая конструкция со стеклянной трубкой и электродами на концах при маленьких размерах гораздо проще и эффективнее. Смысл коаксиальной конструкции в первую очередь в уменьшении рабочего напряжения, т.к. на большой мощности легче получить большой ток, нежели большое напряжение. Пока нет трудностей с блоком питания нужной мощности, проще делать "классическую" схему.

Какая собственно задача стоит?

По поводу охлаждения трубок... В случае такой конструкции возникает масса вариантов от банального оребрения обеих трубок и их обдува (омывания) до применения тепловых труб.

Оребрение, конечно. Точнее вообще не труба, а массивный алюминиевый блок с круглым каналом внутри. Отсюда, кстати, следует, что внешняя труба будет заземлена.

Незеркальность поверхности трубок, аналогично, несколько вариантов: пескоструйная обработка, обработка по технологии ДИМЕТ, химобработка... Т.е. это совершенно не проблема.

Незеркальность вообще не проблема, она автоматически получится от необходимой для стабильного разряда "неровной" геометрии.

И на самом деле усиления на боковых переотражениях можно почти не бояться, коэффициент отражения трубок на 10.6 мкм все равно мал, расстояние мало, усиление мало. Вообще если длина лазера велика по сравнению с диаметром, никаких проблем не возникнет.

Далее, концентричное закрепление трубок: в такой конструкции центральная часть зеркал не используется, поэтому можно выполнить зеркала с монтажными отверстиями по центру и через эти отверстия стянуть (утрирую) всю конструкцию болтом.

Здесь главная трудность - материал зеркал и изоляция. Непосредственно зеркала без окон скорее всего использовать не получится, зеркала для CO2 обычно металлические и проводят ток. Окна тоже сложно - германий слишком хорошо проводит ток, сульфид цинка или хлорид натрия, значит. Оба хрупкие и обработке поддаются плохо. Стекло непрозрачно для 10.6 мкм. При работе зеркала будут сильно нагреваться от излучения лазера и потому быстро изнашиваться ("выгорать"), лучше предусмотреть возможность замены зеркал. Интенсивность излучения внутри трубки лазера всегда в разы выше, чем интенсивность выходящего луча, это надо помнить.

И еще одна деталь, мех обработка на станке, который не потерял точность, позволит сразу, при изготовлении, получить высокую точность перпендикулярности и параллельности, что позволит отказаться от подстроечных узлов положения зеркал.

Часто так и делают. Еще очень часто зеркала настраивают за счет деформации конструкции - например, у He-Ne-лазеров. Требуемая точность установки зеркал CO2-лазера невелика.

Вообще в конструкциях-монолитах основной вклад в расстройку зеркал вносит тепловое расширение деталей. Неравномерность нагрева.

[вв-21]

Задача стоит в потребности поэкспериментировать... с пользой для дела. Эксплуатируем двухкиловаттный станок лазерной резки фирмы ТРУМПФ. Есть некоторые запчасти. Для меня проще изготовить лазер из металла, чем из стекла. Да и прочнее будет. Далее, описываются конструкции плоских лазеров, у которых диаметр много больше длинны. Упоминаются лазеры высокого давления (углекислота накачана до 25 атмосфер) и т.п. Так вот эти особенности, с моей точки зрения, весьма здорово могут быть выполнены  в обсуждаемом конструктиве.
Кстати, как ведет себя фторопласт внутри СО2 лазера? Если применить его в качестве изоляторов трубок от зеркал? Да, и еще вопрос: а почему именно алюминиевые трубки? Другой металл не подойдет? Медь, титан, нержавейка, латунь, бронза...?
ВВ.

[Gall]

Задача стоит в потребности поэкспериментировать... с пользой для дела. Эксплуатируем двухкиловаттный станок лазерной резки фирмы ТРУМПФ. Есть некоторые запчасти. Для меня проще изготовить лазер из металла, чем из стекла. Да и прочнее будет. Далее, описываются конструкции плоских лазеров, у которых диаметр много больше длинны. Упоминаются лазеры высокого давления (углекислота накачана до 25 атмосфер) и т.п. Так вот эти особенности, с моей точки зрения, весьма здорово могут быть выполнены  в обсуждаемом конструктиве.

Трубка не обязана быть стеклянной, лишь бы ток не проводила... Любители из чего попало делали, даже из водопроводных пластиковых труб. (А электроды на концах - металлические фиттинги, тоже водопроводные). Правда, работает недолго, тепло не держит.

Плоские лазеры делаются чаще твердотельными или жидкостными и между зеркалами у них есть еще и линзы, обеспечивающие форму луча. Дело в разнице плотностей твердого тела и газа: атомов в твердом теле так много, что мощность ограничивается не их количеством, а отводом тепла. В газе этих проблем нет, там противоположная проблема - в газе мало атомов и вообще газ очень прозрачный, вероятность столкновения фотона с атомом невелика, поэтому каждый фотон должен пройти довольно большой путь. Поскольку при каждом отражении от зеркал часть фотонов теряется, большой путь легче получить длиной трубки, нежели числом проходов.

Для газа надо считать усиление на единицу длины.

Кстати, как ведет себя фторопласт внутри СО2 лазера? Если применить его в качестве изоляторов трубок от зеркал?

Может и работать, а вообще температура на грани фола. И коэффициент температурного расширения не способствует стыку фторопласта с металлом. Но в принципе материал хороший.

Да, и еще вопрос: а почему именно алюминиевые трубки? Другой металл не подойдет? Медь, титан, нержавейка, латунь, бронза...?

Подойдет любой металл. Алюминий просто легкий, хорошо проводит тепло и относительно дешевый. Медь, латунь, бронза тяжелее и дороже. Нержавейка тепло плохо проводит и тяжело обрабатывается. (Кто-то умный когда-то сказал, что если ввести для инженеров обязательный практикум по обработке нержавейки на станке, количество деталей из нержавейки в технике резко сократится).