Svelas - Svensk laserteknik
 
   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Sökning
Ange sökord
 
E-postadress:   Lösenord:
Lasertyper
De högeffektslasrar som används i industrin idag är CO2- och
Nd:YAG-lasrar. På senare år finns även diodlasrar med effekter upp
mot 6 kW.

Nd-lasern
I en Nd-laser tillförs energin genom att ett fast material dopat
med Nd-joner belyses av en lampa, se Figur 2.4. Kristallen
omges av en elliptisk cylinderspegel, som invändigt är belagd
med något högreflektivt material, vanligtvis guld eller keramik.
I ellipsens ena fokus befinner sig kristallen och i den andra en
avlång blixtlampa. Allt ljus som sänds ut av lampan reflekteras
till laserstaven där det absorberas och åstadkommer
populationsinversionen. Utanför stavändarna,-finns en 100%
reflektiv spegel och en delvis tranparent spegel som släpper
igenom de fotoner som bildar den utgående laserstrålen.
Staven och blixtlamporna kyls noggrannt (verkningsgraden är 3-
5%) för att undvika termisk distortion och termisk fokusering
(staven fokuserar den utgående laserstrålen) av staven, vilket
skulle försämra strålkvaliteten och samtidigt utsätta staven för
sprickrisk. Kylningen sker normalt genom att avjoniserat vatten
cirkuleras i ett slutet system, som via en värmeväxlare är
anslutet till ett externt kylsystem.


Figur 2.4 Olika resonatorkonstruktioner för Nd-lasern.

Laserns kvantverkningsgrad kan bli så hög som 50%. Den
elektriska verkningsgraden är dock endast några få procent, så
det mesta av den tillförda energin måste kylas bort.
Det material man använder för att dopa in jonerna i är vanligen
glas eller YAG (Yttrium-Aluminium-Granat-kristall).
Glasmaterialet kan göras i stora stycken och används då man
vill ta ut stora energier i enstaka pulser. Då man vill ha ut stor
medeleffekt eller hög strålkvalitet i stället väljer man den mer
värmetåliga YAG-kristallen. En enkel Nd:YAG-laser består av en
kristallstav av Yttrium-Aluminium Granat där en del av yttrium-
eller aluminiumatomerna är utbytta mot (dopade med)
grundämnet neodym, Nd. I kristallen är metallerna närvarande
som joner, av formen Nd3+ eller Al3+ och Y3+, men de aktiva
jonerna i en Nd:YAG-laser är Nd3+ jonerna

Lasersystemet kan användas i kontinuerlig mod om
blixtlamporna är ständigt påslagna eller i pulsad mod om
blixtlamporna pulseras ifrån strömkällan. I en blixtlamppumpad
laser är puls-topp-effekten kring 5 kW och pulslängden mellan
0.1-10 ms. Pulsfrekvensen är omkring 100 Hz och
medeleffekten upp till 2 kW. Idag finns kontinuerliga lasrar med
effekter på 6 kW.

I kontinuerligt pumpade lasrar är det vanligt att man inför en
elektriskt styrd switch (Q-switch) mellan speglarna som blockerar
lasringen. När sedan switchen öppnas får man ut ljuset i en
mycket kort högintensiv puls. Pulseffekten är av storleksordning
10-100 kW men pulsens längd är endast ca 100 ns.
Pulsrepeterfrekvensen kan röra sig upp till ca 20-50 kHz. Dessa
lasrar används i huvudsak i märknings-system.

CO2-lasern
I en CO2-laser driver man en urladdning genom en blandning
av He, N2 och CO2. De olika energinivåerna som utnyttjas för
laserverkan beror på vibrationer hos molekylerna.

Tillförseln av energi sker genom kollisioner mellan elektroner
och molekyler i gasblandningen. Koldioxid-molekylerna uppvisar
ett mer komplicerat energinivådiagram än kväve-molekylerna p
g a att tre atomer är inblandade i molekylernas vibrationer Figur
2.7. Den övre lasernivån i CO2 blir därför ineffektivt besatt
eftersom exciteringen kan ske till en mängd olika nivåer. I N2
däremot sker en effektiv pumpning till en högre nivå som i stort
sett är identisk med nivå E4 hos CO2-molekylen. Genom
kollision mellan N2 och CO2 kan energin föras över på ett
effektivt sätt från kvävets nivå H till koldioxidens nivå E4.
Laserverkan fås mellan nivå E3 och E2.


Figur 2.7 Energinivådiagram för urladdningspumpad CO2-
laser.


För att upprätthålla inversionen måste atomerna snabbt föras
från nivå E2 till grundtillståndet (relaxera). I medeleffekt CO2-
lasrar ombesörjs detta genom kollisioner med heliumatomerna i
gasblandningen. I högeffekt CO2-lasrar sker relaxationen ofta
också genom en snabbt cirkulerande gas som för bort
molekylerna från det aktiva området. Kvantverkningsgraden för
en CO2-laser är 41%. I kommersiella lasrar har man normalt
ca 10% totalverkningsgrad från elektrisk effekt till lasereffekt.
Olika grundkonstruktioner för CO2-lasrar visas i Figur 2.8.



Figur 2.8 Olika typer av CO2-lasrar.

I en laserresonator kan man beräkna hur effekten fördelar sig i
strålen. Dessa benämns Transversal Electromagnetic Modes,
TEMmn där m och n är modens ordningstal. Ofta eftersträvar
man den lägsta ordningens mod, TEM00, eller grundmoden som
den också kallas, vilken liknar en Gauss-kurva För att
undertrycka högre ordningens moder införs någon typ av radiell
begränsning av strålen. Begränsningen kan t ex utgöras av en
bländare. Man kan på så vis undvika att högre ordningens
moder ger lasring. Dock ger aperturen en viss störning även på
grundmoden.
LoginRegistrera dig här
Skapa ny
Redigera
Ta bort

Medlem på Svelas.nu
Som registrerad medlem kan du publicera och kommentera rapporter och artiklar. Dina bidrag är värdefulla för att Sverige och Svelas ska hålla sig längst fram inom området för laserteknik.
© 2002 SVELAS - Svensk laserteknik
Avd för produktionsutveckling vid LTU
» Allmänna villkor
  Adress:
 
 
Luleå tekniska universitet
Avd för produktionsutveckling
971 87 Luleå.
E-post:
Tel:
Fax:
info@svelas.nu
0920-491 000
0920-492 228
Luleå tekniska universitet