Лазер для раскроя тканей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Cанкт-Петербургский Государственный Электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (ЛЕНИНА)»

Кафедра электронных приборов и устройств

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине

«Квантовые и оптоэлектронные приборы и устройства»

на тему «Лазер для раскроя тканей»

Студент: Петров С.В.

Преподаватель: Смирнов Е.А

Санкт-Петербург

2010 г.

Содержание

1. Основные сведения о назначении устройства с обоснованием выбора типа лазера

2. Структурная схема и описание принципа действия устройства

3. Описание основных физических процессов в лазере и его особенностей

4. Расчёты основных геометрических, энергетических, электрических и оптических параметров лазера и схемы его включения

5. Описание конструкции проектируемого лазера с обоснованием выбора конструктивных решений, материалов деталей лазера

6. Описание технологии изготовления проектируемого лазера: изготовление деталей и узлов, сборка прибора, технологическая обработка собранного прибора

Заключение

1. Основные сведения о назначении устройства с обоснованием выбора типа лазера

Проектируемый лазер предназначен для раскроя тканей. На основании исходных данных: длина волны излучения лазера л = 10,6 мкм. В соответствии с данной длиной волны в качестве типа лазера выбираем Газоразрядный Лазер (ГРЛ) - молекулярный лазер инфракрасного диапазона на углекислом газе (СО2 - лазер).

лазерное устройство прибор

2. Структурная схема и описание принципа действия устройства

Данный лазер применяется в технологии, структурная схема устройства представлена на рисунке 1.

Рис 1 . Структурная схема устройства.

Лазер - проектируемый в курсовом проекте СО2 - лазер (ГРЛ - лазер).

Оптика - зеркала, поляризаторы, линзы, световоды, призмы и прочие пассивные оптические элементы.

Среда распространения - в данном случае это воздух.

Объект облучения - любая ткань, которую в технологическом процессе кроят.

С помощью данного устройства технологических процесс полностью автоматизирован, увеличивая производительность отрасли. В сочетании с компьютерными технологиями отпадает необходимость разметки или наложения шаблона на ткань, всё задаётся программой компьютера.

3. Основные физические процессы в СО2 - лазере и его особенности

В основе работы лазера лежит явление вынужденного излучения, которое состоит в том , что под действием внешнего электромагнитного поля возбужденные частицы вещества переходят в более низкое энергетическое состояние , испуская при этом квант энергии. Особенностью вынужденного излучения является то, что возбужденные частицы испускают волну, частота, фаза, направление распространения и поляризация которой тождественны с падающей, т.е. внешнее поле усиливается без изменения основных характеристик колебания.

Для работы лазера необходимо иметь , во-первых , активную среду - неравновесную систему , в которой за счет вынужденных переходов возможно усиление когерентного излучения. Во-вторых , необходим источник энергии , так называемая система накачки , которая обеспечивает достаточное возбуждение активной среды. И , в третьих, в современных лазерах генерация осуществляется , как правило, в условиях, когда активная среда помещена в резонансную систему, обеспечивающую положительную обратную связь. В качестве такой резонансной системы используют открытый оптический резонатор, представляющий в простейшем случае два обращенных друг к другу зеркала, из которых хотя бы одно имеет коэффициент пропускания Т больше нуля. Соответствующая этому структурная блок-схема лазера с самовозбуждением представлена на рис.2.



Рис.2. Структурная схема лазера с самовозбуждением

Разработка молекулярных лазеров явилось следствием целенаправленных попыток увеличения выходной мощности за счет КПД лазера.

Активной средой обычно является тройная газовая смесь с соотношением парциальных давлений Р(СО2):Р(N2):Р(He)=1:(1…2):(5…) . Возможно прямое прямое электронное возбуждение СО2 на уровень 001. При использовании буферного газа-азота, имеющего легко возбуждаемый электронами уровень v=1 , резонансно связанный с уровнем 001 молекулы СО2 , инверсия повышается в несколько раз.

При использовании тлеющего разряда подбором давления газовой смеси СО2 лазера удается практически идеально согласовать энергию электронов положительного столба с максимумом функции возбуждения молекул СО2 и N2 . В результате электронный КПД- доля энергии электронов положительного столба , передаваемая верхнему лазерному уровню , возрастает до 50-80% . Общий КПД в итоге оказывается высоким и составляет 10-20%.



Рис.3. Схема нижних уровней молекулы СО2

4. Расчёт основных геометрических, энергетических, электрических и оптических параметров СО2 - лазера и схемы его включения

Расчёт мощности излучения лазера.

Мощность излучения лазера рассчитывается по формуле:

Pmin = P фопт exp(kпог L_с )(1 - с )

где фопт - коэффициенты пропускания оптики; kпог и L_с - показатель поглощения и протяженность среды распространения, с - коэффициент отражения объекта;

На основании исходных данных:

Коэффициент пропускания оптики: фопт - 70% = 0,7.

Размер зоны облучения: d = 1,57*10-4 м.

Коэффициент отражения объекта облучения: с = 10% = 0,1

Необходимая доза облучения Wn = 106 Дж*м-2.

Скорость раскроя: V = 10м / мин. = 0.17 м / сек

Найдём площадь зоны облучения за 1 сек:

S = d*V = 1,57*10-4 м.* 0.17 м / сек = 2,62*10-5 м2 / сек

Значение exp(kпог L_с ) примем равным 1.

Pmin = Pобл = Wn*S;

P = Wn*S / фопт exp(kпог L_с )(1 - с )

P = ((106*2,62*10- 5) / 1*0,7*0,9 = 41,55 Вт

Расчёт параметров активной среды, оптического резонатора и излучения лазера

Расчёт параметров активной среды

Оценка геометрии среды базируется на методе линейной аппроксимации зависимостей геометрических характеристик от мощности излучения и усреднённых значений параметров реальных характеристик. Первым шагом будет нахождение размеров: протяженности LAC и диаметра dAC, зависящие от Р. С помощью программы «LAZER» находим длину и диаметр активной среды: LAC; dAC , а также другие параметры лазера полученные в результате работы с программой.

P1, мВт/м	л, мкм	LАС, м	dАС, мм	p, Па	TAC, К
26,47917	10,6	1,57	11,3	1500	300…350

В приложении к курсовому проекту представлен график зависимости dAC = ? (Р), наглядно демонстрирующий метод линейной аппроксимации для нахождения dAC.

Расчёт параметров плазмы газоразрядных лазеров

Среди газоразрядных лазеров выделяется большая группа лазеров тлеющего разряда, к числу которых относится и проектируемый СО2 лазер. Расчёт электрических параметров лазеров тлеющего разряда предусматривает определение таких параметров плазмы, как температура Te электронов и продольный градиент потенциала Ez в положительном столбе разряда.

С помощью программы «Laser» при температуре и суммарном давлении газа 300 К и 1500 Па получили: Te = 14835 К; Ez = 9598 В/м.

С помощью данной программы также легко заметить, что при увеличении температуры газа оба эти параметра увеличиваются, а при увеличении давления температура уменьшается, а продольный градиент растёт. Графики зависимостей Te ; Ez от давления представлены в приложении к курсовому проекту.

Расчёт параметров оптического резонатора

Оптический резонатор (ОР) наряду с активным элементом (АЭ) и источником накачки является важнейшей составной частью лазера. Основное назначение ОР, как и любого резонатора, состоит в аккумулировании энергии электромагнитных колебаний оптического диапазона и обеспечении положительной обратной связи между излучением и активной средой. Наличие резонатора создает условия, при которых процесс усиления в активной среде может перейти в процесс генерации. Являясь частью общей колебательной системы, включающей и активную среду, оптический резонатор существенно влияет на свойства генерируемого лазером излучения, определяя при фиксированной накачке уровень мощности генерации, спектральный состав и диаграмму направленности излучения.

Используемые в лазерной технике оптические резонаторы могут быть двухзеркальными и многозеркальными. Наиболее распространены двухзеркальные ОР. Одно из зеркал, называемое выходным, или рабочим, имеет конечную прозрачность и обеспечивает вывод пучка излучения из резонатора. По форме зеркала могут быть плоскими или сферическими с радиусом кривизны R. Существуют ОР типов “плоскость-плоскость”, “плоскость-сфера”, “сфера-сфера”. По отношению к активному элементу протяженностью L_АС ОР могут быть внешними (L > L_АС) или внутренними (L ? L_АС), когда зеркала располагаются на торцах активного элемента. В зависимости от типа и конструктивных особенностей лазера превышение L над L_АС может составлять для газовых лазеров 5...30 %, для твердотельных - 50...500 % и более. Оптическая длина однородной среды связана с геометрической длинной через показатели преломления Lопт = nL. Для активной среды ГРЛ и воздушных промежутков можно полагать п = 1. В общем случае, когда в ОР лазера находятся элементы, показатель преломления которых превышает единицу, суммарная оптическая длина находится как

для нашего ГРЛ лазера Lопт = nL = 1*1,57 = 1, 57 м

где ni, Li - показатель преломления и геометрическая длина каждого из участков или элементов оптического резонатора.

Используя оптический резонатор длиной L, необходимо обеспечить выполнение условия устойчивости. Если в процессе циркуляции излучения в ОР луч выходит из резонатора, т. е. расстояние луча от оптической оси возрастает по мере роста числа отражений, то потери будут велики и резонатор является неустойчивым. В устойчивом резонаторе луч все время остается вблизи оси, благодаря чему потери излучения низки. Анализ устойчивости ОР производится с помощью безразмерных g-параметров:

g1= 1 - L/R1, g2 = 1 - L/R2,

где R1, R2 - радиусы кривизны зеркал (для плоского зеркала R = ?).

Условие устойчивости записывается в виде

0 ? g1g2 ? 1.

При оценке радиусов кривизны сферических зеркал в ходе выполнения курсового проекта следует учитывать, что их значения нормированы и составляют на практике 0,5; 1; 1,5; 2; 5 или 10 м.

Согласно найденному значению L = 1,57м (см.выше) ; R1 = 5 м (берём из нормированных значений) R2 = ?, тогда g1= 0,686 g2 = 1. Исходя из полученных в результате расчётов значений g1; g2, можно сделать вывод, что условие устойчивости выполняется.

Расчёт паразитных потерь

Определение уровня паразитных потерь б_? = б₁ + б₂ является важным этапом в расчете параметров оптического резонатора. Этот параметр используется при нахождении фopt, добротности и КПД ОР.

В курсовом проекте в ОР будем использовать два интерференционных зеркала, выполненные по единой технологии, следовательно б₁ = б₂. Уровень б_? определяется не только потерями на зеркалах, но и потерями излучения на оптических элементах, имеющихся в ОР, и другими причинами. В общем случае для ОР с одинаковыми зеркалами и двумя окнами Брюстера можно записать:

б_? = б₁ + б₂ = 2(б погл + б рас + б ₀ + б Бр + б д) + б n + б_в ,

где б погл, б рас - потери на поглощение и рассеяние в отражающих покрытиях; б₀ - потери на зеркалах, обусловленные запылением и загрязнением зеркал; б_Бр - потери излучения при прохождении выходных окон Брюстера; б д - дифракционные потери; б n - потери на границах сред; б_в - потери, обусловленные разъюстировкой зеркал ОР.

Минимально достижимые уровни б погл, б рас для интерференционных отражающих покрытий в видимом диапазоне составляют 0,1...0,2%. Реальные - в несколько раз выше и возрастают при переходе в УФ- и ИК-области спектра. При надлежащей эксплуатации лазера уровень б₀ не превышает 0,3...1%.

Пусть б погл = б рас = 0,5 %, а б₀ = 0,4%

В газоразрядных лазерах с внешними зеркалами для уменьшения потерь излучения выходные окна устанавливаются под углом Брюстера: tg И_Бр = n₁/n₀ ? n₁, где n₁ и n₀ - показатели преломления материала выходного окна и воздуха (n₀ ? 1).

В качестве материала выходных окон выберем Германий (Ge) с n₁ = 4,1 следовательно И_Бр = 76?.

Остаточный уровень потерь в окнах Брюстера бБр определяется величиной б₀ на каждой из границ раздела сред и поглощением лазерного излучения в материале выходного окна толщиной d = 2...5 мм:

Выберем d = 4 мм; Кпогл = 1…1,5 (возьмём = 1).

бБр =2*0,4 + [ 1-exp(-1*4*10- 3 / cos 76 )] = 0.817 %

На уровень потерь излучения в ОР заметно влияет дифракция. В лазерах дифракция обусловлена ограниченными размерами пучка излучения, циркулирующего в резонаторе. Дифракция происходит на торцах активных элементов и на зеркалах ОР. Величина дифракционных потерь в ОР длиной L является монотонно убывающей функцией числа Френеля

NФ = a² / л L,

где а - диаметр лазерного пучка на зеркале ОР, а = (0,7...0,9)d_АС для ГРЛ. ( возьмём 0,8)

В результате расчёта получили NФ = 4,9.

При значениях NФ > 10 коэффициент дифракционных потерь для плоского зеркала можно оценить как

aд ? B(N1)-3/2 (*),

где В - коэффициент пропорциональности, зависящий от индексов поперечных мод т и п.

а) б)

Рис.4. Зависимость дифракционных потерь от числа Френкеля для резонаторов: а) - конфокального б) - плоского

При малых значениях NФ расчет по (*) дает неверные результаты. Строгий расчет aд затруднителен. В особенности это относится к многомодовому режиму работы лазера, когда излучение в ОР распространяется в виде отдельных нитей с характерным диаметром порядка 0,1...1 мм. На рис.4, взят из [1],представлены результаты приближенного расчета, проведенного на ЭВМ, которыми можно пользоваться для оценки aд.

Из рисунка видно, что потери возрастают при переходе от конфокального резонатора к плоскому резонатору, а также с увеличением индексов т и п поперечных мод.

В результате графического анализа aд = 5 %.

Дополнительные потери возникают при пересечении лучом границы двух сред с различными показателями преломления, например при прохождении активного элемента твердотельного лазера и других оптических элементов, устанавливаемых в ОР. При нормальном и близком к нему падении излучения на границу раздела оптических сред коэффициент отражения, называемый френелевским, определяется как

где n1, n2 - показатели преломления контактирующих сред.

с_Ф = 0,3694 (где n1=1 - воздух, n2= 4,1 - Ge).

При дополнительном загрязнении границ раздела (торцов элементов и т. п.) б n = с_Ф + б ₀; б n = 0,7694

Потери излучения б_в, обусловленные разъюстировкой резонатора, т. е. перекосом зеркал, принципиально можно сделать нулевыми при оптимальной настройке зеркал. На практике уровень б_в определяется геометрией АС и величиной угла разъюстировки в:



При проведении расчетов потерь достаточно выбрать значение б_в в пределах 0,5...0,8% и затем для выбранного коэффициента с помощью рассчитать допустимый угол разъюстировки, который будет определять требуемую точность настройки ОР.

Выберем б_в = 0,7%, после расчётов в = 0,003526.

После расчёта составляющих потерь, б_? = 15,90 б₁ = б₂ = 7,95.

Расчёт оптимального коэффициента пропускания рабочего зеркала

Определение ф_opt проводиться графически путем построения и поиска максимума функции:

Оптические характеристики активной среды.

Параметр	л, мкм	к0,м-1	к погл, м-1	б1,б2, %	ф2, %	п	ДнАС, ГГц	t2, c
СО2 -лазер	10,6	0,8…1,2	0	5...12	10...30	1	0,06	10-3

Оптимальный коэффициент определяем с помощью программы «Laser», б₁ = б₂ = 7,95.

к₀ возьмём = 1 м-¹

ф_opt = 36,04 %. = ф₂.

График определения ф_opt представлен в приложении к курсовому проекту.

В результате графического анализа также можно заметить, что при увеличении к₀ КПД оптического резонатора увеличивается, а добротность уменьшается.

Выбор и расчёт интерференционных покрытий и подложек зеркал

В качестве материалов интерференционных покрытий выберем ZnS с высоким коэффициентом преломления и Na3AlF6 c низким коэффициентом преломления, материалом подложки будет служить Германий.

ZnS = 2,3

Na3AlF6 = 1,35

Ge = 4,1

Показатель преломления воздуха n₀ = 1.

Выражения для максимальных коэффициентов отражения многослойных покрытий. Для нечетного числа слоев

для четного числа слоев

где n_S - показатель преломления материала подложки; материалы с высоким nв и низким nн показателями преломления.

С помощью программы Mathcad v13.0 строим зависимости Pmax от М, для нечётного (рис.5.а) и чётного ( рис.5.б) количества слоёв.



а)

б)

рис.5. Зависимость коэффициента отражения для нечётного а) и чётного б) числа слоёв.

Пропускание, которое обеспечивает зеркало при данных условиях, находится как ф = 1 - сmax. Путем графического анализа определяем число слоев М, которое обеспечивает пропускание интерференционного покрытия ф = фopt = 0,3604. При выборе М следует стремиться к минимально возможному числу слоев.

При нечётном: М = 5.

При чётном М = 7.

М = 5 удовлетворяет условию ф = фopt для нечётного числа слоёв, следовательно число слоёв рабочего зеркала равно пяти, при Рmax = 0,6396

Для «глухого» зеркала ф = 0; Pmax = 0,998 что соответствует М = 13 слоёв.

Максимальный коэффициент отражения сmax многослойного покрытия из М слоев реализуется при строгом равенстве оптических толщин слоев четверти длины волны рабочего излучения: nвdв = nнdн = л /4, где dв, dн - геометрические толщины слоев с высоким и с низким показателями преломления.

Величины dв = 1,15 мкм и dн = 1,96 мкм.

Расчёт инверсии населенности лазерных уровней.

Для расчёта стационарной (пороговой) инверсии населенностей Дn = (n2 - n1)ст лазерных уровней, можно воспользоваться условием стационарной генерации

к погл = 0 м-¹; LAC = 1,57 м;

с₁ = 1 - б₁ - ф₁ и с₂ = 1 - б₂ - ф₂ - коэффициенты отражения нерабочего, “глухого” и рабочего зеркал (ф₁ ? 0 - коэффициент пропускания “глухого” зеркала; б₁, б₂ - паразитные потери). ф₂ = 36,04%

с₁ = 0,9205 ; с₂ = 0,5601 .Кст = 0,2109

Вторым соотношением коэффициентов Эйнштейна для спонтанного A₂₁ и индуцированного B₂₁ излучений:

B₂₁ = 7,158*1019

и выражением для насыщенного показателя усиления:

где A₂₁ = t₂-¹ - вероятность спонтанных переходов частицы (t2 - время жизни верхнего уровня), t2 = 10-3 с (согласно табл.3.4 [1]; A₂₁ = 1000

Дн_АС = 0.06 ГГц- спектральная ширина контура усиления активной среды (согласно табл. 3.4 [1]).

h = 6,62*10-34 Дж*с - постоянная Планка.

Дn = (n2 - n1)ст = 2,8306*1015

Расчёт частотных характеристик лазера.

Важным параметром оптического резонатора является добротность Q, характеризующая его собственные резонансные свойства. Добротность рассчитывается:

где б_? = б₁ + б₂ ; ф_? = ф₁ + ф₂ - суммарное пропускание зеркал (для металлических отражающих покрытий ф₁ = 0

б_? = 15,9; ф₁ = 0, ф₂ = 0,795; ф_? = 0,795.

С помощью программы «Laser» определяем значение добротности (график представлен в приложении).

Q =1,792*106.

Ширина собственной резонансной линии пассивного ОР в масштабе частот или длин волн:

Дн_ОР = н/Q, Дл_ОР = л /Q,

где н = с / л - частота генерируемой моды, н =2,83*1013 Гц,

Дн_ОР = 1,57*107Гц; Дл_ОР =5,92*10-12

Помещение в резонатор усиливающей активной среды компенсирует потери и сужает ширину спектральной линии, генерируемой лазером. Физически сужение ограничивается наличием спонтанного излучения

где h = 6,62·10-34 Дж·с - постоянная Планка; Р - мощность генерации лазера.

?нф = 2,7*10-6Гц

Спектр излучения лазера включает продольные и поперечные типы колебаний. Для оценки возможного числа продольных мод зону генерации в первом приближении можно принять равной ширине контура усиления Дн_АС активной среды :



где Днq = c/2Lопт - интервал частот между соседними продольными модами (c - скорость света в вакууме).

Днq = 9,5*107: Nпр.мод = 0,06*109 / 9,5*107 = 0,631

Наличие поперечных мод приводит наряду с нарушением однородности распределения интенсивности в пучке к частотным сдвигам относительно основного продольного колебания. Результирующая частота колебания с продольным индексом q и поперечными индексами т и п определяется как

Дн_mnq = н_mnq - н_00q

В результате расчёта получаем:

?н00q = 0,00000 Гц ; ?н10q = 4.9*106 Гц

?н01q = 4.9*106 Гц ; ?н11q = 9.7*106 Гц

Расчёт КПД лазера.

Общий КПД любого лазера может быть найден как

где з_нак - КПД накачки, определяющий долю мощности накачки, затраченную на возбуждение АС; з_АС - КПД активной среды, показывающий, какая доля мощности возбуждения АС преобразовывается в излучение когерентных квантов; з_ОР - КПД оптического резонатора, устанавливающий соотношение между выходной мощностью излучения лазера и мощностью излучения когерентных квантов, циркулирующих в резонаторе.

Расчёт КПД накачки.

КПД накачки ГРЛ может быть определен как

где з_эл - электрический КПД ГРЛ, учитывающий потери мощности в приэлектродных областях разрядной трубки; з_геом - геометрический КПД, определяемый потерями мощности в зонах положительного столба разряда, не участвующих в процессе усиления АС, например в электродных отростках прибора; з_е - электронный КПД, отражающий долю энергии электронов ПС, расходуемую на возбуждение верхних лазерных уровней.

Для ГРЛ

.

Для приборов тлеющего разряда с холодным катодом (СО2 лазер) значение U_к определяется родом материала катода и наполняющего газа табл. 4.4 [1]. Берём газ N2 и никель, U_к = 200,В, следовательно: з_эл = 98,69%.

Типичные значения з_геом = 80…95%, возьмём 90%.

В СО₂-лазере возбуждение основного излучающего газа происходит через буферный газ, имеющий большое сечение возбуждения при столкновениях с электронами. В таких случаях КПД электронной накачки находится из отношения энергии электронов, участвующих в возбуждении атомов АС, к полной энергии электронов ПС. Для определенности распределение электронов по энергиям полагается максвелловским. Тогда

,

где eU₁, eU₂ - энергии электронов, соответствующие нижней и верхней границам зоны возбуждения АС, Дж; е = 1,6·10-¹⁹ Кл - заряд элекрона; k = 1,38·10-²³ Дж·К-¹ - постоянная Больцмана. Расчёт производим с помощью программы «Laser» , з_е = 56,55%. з_нак = 50, 23%.

Графики зависимостей , з_е; з_эл от давления представлены в приложении к курсовому проекту.

Расчёт КПД активной среды и КПД оптического резонатора

Значение з_АС ГРЛ определяет долю энергии возбуждения, полученную активной средой от электронов и превращаемую АС в энергию когерентных квантов.

з_АС = qW_изл /W_возб, где W_изл = hc/л .

h = 6,62·10-34 Дж·с - постоянная Планка; c - скорость света 3*108;л = 10,6 мкм .

Коэффициент q = 0,6...0,8 - аналог квантового выхода АС ТТЛ, учитывающий в ГРЛ потери энергии возбуждения за счет спонтанных и безызлучательных переходов с верхних лазерных уровней. Энергия возбуждения верхних лазерных уровней определяется по энергетическим диаграммам газовых активных сред, приведенным в приложениях [1].

Выберем

q = 0,7; W_изл = 1,87*10-20 Дж; W_возб ? 0,3 Эв = 4,806*10-20Дж.

з_АС = 27,28%.

КПД оптического резонатора ГРЛ определяется по формуле:

з_ОР = ф₂/(б₁ + б₂ + ф₁ + ф₂),где

ф₁ ? 0 - коэффициент пропускания “глухого” зеркала;

ф₂ = 36,04% - коэффициент пропускания рабочего зеркала;

б₁, б₂ = 7,95- паразитные потери.

В результате расчёта получим з_ОР = 69,38%.

В итоге получим:

= 9,5%.

Расчёт энергетических и электрических параметров лазера

Расчёт мощности накачки

Мощность накачки лазера непрерывного режима определяется по формуле:

;

где Р_{пор АС}, (W_{пор АС}) - пороговая мощность (энергия) возбуждения активной среды лазера.

Пороговая энергия возбуждения АС определяется минимально возможным количеством частиц, которые необходимо возбудить на верхний лазерный уровень для выполнения условия возникновения генерации

W_порАС = A nV W_возб,

где A - минимальная от общего числа доля возбуждения частиц; n- концентрация частиц в АС; V - объем активной среды.

V = LAC * р(dAC/2)? = 1,57*3,14(0,0113/2)? = 1,57*10-4 м3

А = 1*10-2 - согласно табл.3.1 [1].

Для ГРЛ значения n рассчитываются исходя из ранее найденного давления активной газовой среды (р = nkT_АС).

k = 1,38·10-²³ Дж·К-¹ - постоянная Больцмана; р = 1500 Па; T_АС = 300…350 К. Выберем значение

T_АС = 325 К.

n = p/ T_АС*k = 1500 / 325*1,38·10-²³ = 3,34*10²³

W_возб ? 0,3 Эв = 4,806*10-20Дж.

W_порАС = 0,0252 Дж

t₂ ,с = 10-3 - согласно табл.3.4 [1].

= 25,23 Вт

з_нак = 50, 23 %; з_О = 9,5 %; P = 41,55 Вт

Рн = 487,597 Вт

Расчёт электрических параметров лазера.

Для газоразрядных приборов постоянного тока, к которым относится большинство ГРЛ и лампы накачки ТТЛ непрерывного режима, электрическая мощность Р_эл, потребляемая от источника накачки и называемая мощностью накачки P_н , может быть определена как

,

где U - падение напряжения на приборе; I - разрядный ток; Е_z и L_ПС - продольный градиент потенциала и протяженность положительного столба; U_к - катодное падения потенциала.

Для газоразрядных лазеров L_ПС = L_АС / з_геом. Определив в ходе предыдущих этапов расчета L_АС, Е_z, U_к, з_геом, следует вычислить значения падения напряжения на приборе U и, используя (5.4), рассчитать разрядный ток I.

з_геом = 90 %; L_АС = 1,57 м.

L_ПС = 1,74 м

Е_z = 9598 В/м; U_к = 200 В.

U = U_к + Е_zL_ПС = 200 + 9598*1,74 = 16943, 17 В

I = Рн / U = 28,77 мА

5. Описание конструкции проектируемого лазера с обоснованием выбора конструктивных решений, материалов деталей лазера

Расчет площади катода

Необходимая площадь эмитирующей поверхности катода зависит от значения разрядного тока I и допустимой плотности тока j_{к доп}, отбираемой с катода S_к = I / j_{к доп}.

j_{к доп} = 3…5 мА·см-2 согласно табл.6.1 [1]. Возьмём значение j_{к доп} = 4 мА·см-2

I = 28,77 мА

S_к = 7,19 см2

Электрическая схема питания лазера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.6. Простейшая схема питания ГРЛ тлеющего разряда

ГРЛ тлеющего разряда используют для накачки относительно маломощные однофазные выпрямители , собранные по мостовой схеме или схеме умножения напряжения рис.6. В простейшем случае сглаживающим фильтром служит конденсатор емкостью от десятых долей до десятков микрофарад. В силу падающего характера ВАХ ГРЛ для фиксации разрядного тока в рабочей точке требуется использование балласта, роль которого может выполнять резистор R1. Устойчивый режим протекания постоянного разрядного тока в ГРЛ достигается, как правило, при примерном равенстве сопротивления балластного резистора сопротивлению разрядного промежутка лазера. Это означает, что рабочее напряжение источника питания должно в два раза превышать падение напряжения на ГРЛ.

UПит=2U=IRб+U = 589 кОм

6. Описание технологии изготовления проектируемого лазера: изготовление деталей и узлов, сборка прибора, технологическая обработка

При изготовлении ГРЛ обязательными операциями являются калибровка и прямление трубок , осуществляемые путем разогрева стекла трубки до размягчения на вращающихся натянутых прутах. Обеспечиваемый разброс внутреннего диаметра трубок не превышает 0,1 мм. Возможно групповое прямление трубок в широких нагретых кварцевых трубах, приводимых во вращение.

Шлифовка торцов под углом Брюстера производится на специальных станках , контроль с использованием шаблонов. Допустимое отклонение по углу и компланарности торцов- 0,5?.

Электроды проходят обычную предварительную химическую и вакуумную термическую обработку. Поверхность катода покрывается окислом бериллия либо окисляется путем напуска воздуха в откаченный баллон с находящимся в нем катодом , разогретым до 700К.

Тщательно очищенные стеклянные детали , электроды, предварительно собранные узлы трубки поступают на заварку, производимую часто при установке капилляров на натянутых прутах или струнах. Обязателен промежуточный послеоперационный отжиг спаев. Последней операцией сборки является присоединение к трубке выходных окон или внутренних зеркал, производимое в пылезащитных помещениях. Окна зеркал с твердыми покрытиями , прошедшие предварительный контроль, протираются спиртом, затем сухим ватным тампоном. Непосредственно перед установкой с рабочих поверхностей окон и зеркал, облучаемым широким лазерным пучком, удаляются пылинки с помощью беличьей кисти. Собранные приборы напаиваются на откачной пост при использовании поддува воздухом через фильтр либо сухим азотом. После откачки воздуха и протирки выходных окон , производится прогрев прибора под печью при температурах , определяемых методами, использованными для соединения окон и зеркал с трубкой. Далее производится обезгаживание металлических деталей и геттеров путем индукционного нагрева, активировка катодов. Последующая тренировка разрядных трубок осуществляется путем многократных наполнений газом или смесью газов и возбуждением в трубках разряда. После каждой выдержки при определенном разрядном токе производится откачка газа и новое наполнение. При каждом новом наполнении ток разряда увеличивается, достигая к последней позиции полуторократного повышения номинального значения. Тренировка СО2 лазеров производится первоначально в гелии с выдержкой при номинальном токе разряда в течении часа. Последние наполнения производятся рабочей трехкомпонентной смесью. Вместо азота обычно используется атмосферный воздух.

После тренировки разрядные трубки лазеров отпаиваются устанавливаются в резонаторы с соблюдением необходимых мер по очистке и герметизации оптических элементов. После этого производится настройка оптического резонатора и контроль уровня выходной мощности излучения.

Заключение

В ходе выполнения курсового проекта по заданным начальным данным был рассчитан и спроектирован СО2 - лазер (ГРЛ ). В процессе расчёта были получены такие параметры как: мощность излучения, параметры активной среды, оптического резонатора, КПД лазера, энергетические и электрические параметры. Сопоставляя рассчитанные значения с табличными данными и пользуясь в процессе расчёта программами для проектирования, можно сделать вывод что расчёт произведён верно с учётом выбранного типа лазера. В конце были представлены электрическая схема включения, технология изготовления и графическая часть .

Размещено на Allbest.ru