6.2. Основные параметры технологических лазеров

1. Мощность излучения.

Наиболее важный параметр теплового воздействия — плотность мощности, (только для импульсного излучения).

Необходимая плотность мощности обеспечивается мощностью непрерывного P_непр или импульсного P_имп излучения, последняя связана со средней мощностью как:

(6.9)

Таким образом, даже при малой можно обеспечить необходимое воздействие при коротких τ ( P_имп τ = W — энергия импульса) — пример — фемтосекундные лазеры.

2. Длина волны излучения.

Длина волны излучения должна лежать в области большой поглощающей способности материала (в видимой для металлов и других конструкционных материалов, в ИК–области для стекла, и в ультрафиолетовой — для пластмасс и полимеров). Поглощающая способность зависит, в первую очередь, от оптических характеристик материала: коэффициента отражения R , коэффициента поглощения A = 1 − R и показателя поглощения α (глубина проникновения света δ = 1/α ).

3. Длительность воздействия τ.

Длительность воздействия τ – это длительность импульса у импульсных лазеров или время эффективного воздействия у непрерывных лазеров.

Длительность воздействия определяет следующие характеристики процесса:

– пороговую энергию импульса (6.10),

– глубину прогретого слоя (6.11)

и количество образующейся жидкой фазы,

– величину давления отдачи паров P_и ~ W_и /τ (6.12),

– величину термомеханических напряжений ,

– экранирующее действие паров на падающее излучение,

– стабильность размера облученной зоны (нестабильность ~ ),

– стабильность пороговой плотности мощности (зависит также от размера облученной зоны.

Коментарии:

• эффективное время воздействия у лазеров с непрерывным излучением равно:

τ = d₀ /V_ск (6.13),

где d₀ — диаметр пятна в фокусе, V_ск — скорость сканирования.

• В любом случае, чтобы использовать (6.13) надо, чтобы соблюдалось условие (10).

Надо также понимать, что h_исп ~ V_и τ , и чем меньше τ , тем меньше глубина отверстия, образующегося от воздействия одного импульса.

Возможности регулировки длительности импульса:

– TT лазеры — модуляция добротности (внутрирезонаторная)

− Nd–YAG — акусто–оптическая,

− стекло:Nd — электро–оптическая,

− рубиновый и другие — пассивная — светофильтры, примеси в газах,

− полупроводниковые лазеры — электрическая модуляция,

− другие лазеры — внерезонаторная электромеханическая модуляция

– CO₂–мощные лазеры — электромеханическая модуляция (прерыватель—обтюратор, невыгодно по мощности)

− пассивная — светофильтры, примеси в смеси газов

– CO₂–волноводные лазеры — (по питанию, накачка радиочастотным зарядом)

– TT лазеры — импульсная накачка τ ~ 10⁻³ с

− импульсная накачка с модуляцией добротности, τ ~ 10⁻⁷ с,

− самосинхронизация мод, τ ~ 10⁻¹² с

− фемтосекундные, τ ~ 10⁻¹⁵ с и аттосекундные, τ ~ 10⁻¹⁸ с импульсы,

– N₂, Cu, эксимерный лазер и тому подобные

− спектрально–люминисцентные свойства среды (самоограниченные верхние переходы — малое время жизни на верхнем уровне), τ ~ 10⁻⁸ с

– CO₂, Ar — непрерывного действия — сканирование пучка или движение (вращение) объекта со скоростью V_ск.

Таблица 6.4 Различные длительности импульса лазеров и варианты их реализации

Длительность воздействия, с	Варианты реализации (тип лазера, режим модуляции)
Миллисекунды, 10 –3	Nd–YAG–лазер — режим свободной генерации, импульсный СО2–лазер, сканирующий СО2–лазер, сканирующий Nd–YAG–лазер, сканирующий Ar–ion–лазер
Микросекунды, 10 –6	Nd–YAG–лазер: акусто–оптическая модуляция, электрооптическая модуляция, диодная накачка. Импульсный СО2–лазер
Наносекунды, 10 –9	Азотный лазер, лазер на парах меди, эксимер ные лазеры
Пикосекунды, 10–12	Nd–YAG–лазер: режим самосинхронизации импульсов, эксимерные лазеры
Фемтосекунды, 10–15	Ti–сапфир–лазер: режим самосинхронизации импульсов, эксимерные лазеры
Аттосекунды, 10 –18	Ti–сапфир–лазер

4. Пространственные характеристики лазерного пучка.

Модовая структура излучения (TEMmn)

Рис.6.1. Модовая структура пучков некоторых низших порядков

Угловая расходимость пучка

(6.14)

где α — полный угол расходимости луча, λ — длина волны, b_д — характерный размер выходного окна лазера, ответственного за дифракцию, A_д — коэффициент, отвечающий за распределение интенсивности в поперечном сечении луча.

Величины b_д и A_д , и α для разных лазерных лучей приведены в таблице 6.5.

Таблица 6. 5

Тип лазерного луча	bд	Aд	Полный угол	Комментарии
Одномодовый (Гауссово распре деление)	2w0	4/π=1.26	1.26	D ≈ 2w0, w0-радиус перетяжки
Многомодовый		1.26	1.26	N b — число отдельных лучей в попе-речном сечении
Дифракционно- ограниченный	D	2.44	2.44	D – диаметр нулевого максимума

М² — концепция качества лазерного пучка

Качество лазерного пучка часто характеризует отношением его действительной (экспериментальной) расходимости α к расходимости того же лазера, если бы он излучал одномодовый Гауссовский пучок, α_Г :

M² = α /α_Г (6.15)

Как известно,

α_Г = λ /πw₀ = 4λ /πd_min (6.16)

где w₀ — диаметр пучка в перетяжке. α зависит от многих причин, в частности, угол расходимости пучка после линзы (угловая апертура) равен:

α_л = D_л /2f (6.17)

Отсюда можно найти минимальный размер пучка в фокусе линзы d_min через M² :

d_min = 8 M² f λ /πD_л (6.18)

Через M² можно определить все основные пространственные параметры лазерного пучка: диаметр пучка в любом сечении z по пути его распространения, радиус волнового фронта R_z при любом z , Рэлеевский радиус пучка R, глубина фокуса и размер сфокусированного пучка.

Можно показать, что фактор M ² позволяет рассматривать реальный многомодовый пучок как одномодовый с модифицированной длиной волны λ_м=M²λ.

Инвариант Лагранжа-Гельмгольца.

Другой способ характеризации пространственно-геометрических характеристик оптических пучков основан на использовании инварианта Лагранжа-Гельмгольца J (рис. 6.2).

Dα=D'α'=J=const (6.19)

Рис. 6.2. Схема оптической системы, состоящей из функциональных (1, 3) и согласующих (2) компонентов.

Чем меньше значение J, тем выше качество пучка.

Значения инварианта J для некоторых типов лазеров приведены в таблице 6.6.

Таблица 6.6

Тип лазера	Световой диаметр D, мкм	Полный угол расходимости α, рад	Инвариант Лагранжа-Гельмгольца J	Замечания для λ ~ мкм
Одномодовый волоконный лазер	10	0.1	1	J=λ, равен дифр. пределу
Многомодовый волоконный лазер	200 400	0.2 0.2	40 80	J>>λ, далеко от дифр. предела
Полупроводниковый лазер				J>>λ, далеко от дифр. предела