Газовий лазер: опис, характеристики, принцип дії

Основним робочим компонентом будь-якого лазерного пристрою є так звана активна середовище. Вона не лише виступає джерелом спрямованого потоку, але і в деяких випадках може значно посилювати. Саме такою особливістю і мають газові суміші, що виступають активною речовиною в лазерних установках. При цьому існують різні моделі подібних пристроїв, що відрізняються конструкцією, і характеристиками робочої середовища. Так або інакше, газовий лазер має чимало переваг, які дозволили йому зайняти міцне місце в арсеналі багатьох промислових підприємств.

Особливості дії газової середовища

Традиційно лазери асоціюються з твердотільними і рідинними середовищами, які сприяють формуванню світлового променя з необхідними робочими характеристиками. При цьому газ має переваги у вигляді однорідності і невеликий щільності. Ці якості дозволяють лазерного потоку не спотворюватися, не втрачати енергію і не розсіюватися. Також газовий лазер відрізняється збільшеною спрямованістю випромінювання, межа якої визначає лише дифракція світла. У порівнянні з твердими тілами взаємодія частинок газу відбувається виключно при зіткненнях в умовах теплового переміщення. В результаті енергетичний спектр наповнювача відповідає енергетичному рівню кожної частки окремо.

Пристрій газових лазерів

Класичне влаштування таких апаратів формується герметичній трубкою з газоподібної функціональної середовищем, а також оптичним резонатором. Розрядна трубка зазвичай виконується з корундової кераміки. Її розміщують між відбиває призмою і дзеркалом на бериллиевом циліндрі. Розряд проводиться у двох секціях з загальним катодом при постійному струмі. Оксиднотанталовие холодні катоди найчастіше поділяють на дві частини за допомогою діелектричної прокладки, яка забезпечує однорідність розподілу струмів. Також пристрій газового лазера передбачає наявність анодів – їх функцію виконує нержавіюча сталь, представлена у вигляді вакуумних сильфонів. Ці елементи забезпечують рухливе з'єднання трубок, призми і власників дзеркала.

Принцип роботи

Для наповнення енергією активного тіла в газі застосовуються електричні розряди, які виробляються електродами в порожнині трубки приладу. В процесі зіткнення електронів з газовими частинками відбувається їх порушення. Таким чином створюється основа для випромінювання фотонів. Вимушене випускання світлових хвиль в трубці підвищується в процесі їх проходженні по газовій плазмі. Виставлені дзеркала на торцях циліндра створюють основу для переважного напрямку світлового потоку. Напівпрозоре дзеркало, яким забезпечується газовий лазер, відбирає з направленого променя частку фотонів, а інша їх частина відображається всередину трубки, підтримуючи функцію випромінювання.

Характеристики

Внутрішній діаметр розрядної трубки зазвичай становить 15 мм. Діаметр оксиднотанталового катода може досягати 48 мм при довжині елемента 51 мм. При цьому конструкція працює під дією постійного струму з напругою до 1000 В. В гелій-неонових лазерах потужність випромінювання невелика і, як правило, обчислюється у десятих частках Вт.
Моделі на вуглекислому газі припускають використання трубок діаметром від 2 до 10 див. Примітно, що газовий лазер, що працює в безперервному режимі, володіє дуже високою потужністю. З погляду експлуатаційної ефективності, цей фактор іноді йде в плюс, але для підтримання стабільної функції таких приладів потрібні довговічні й надійні дзеркала з підвищеними оптичними властивостями. Як правило, технологи використовують металеві і сапфірові елементи з обробкою золотом.

Різновиди лазерів

Основна класифікація передбачає поділ таких лазерів за типом газової суміші. Вже згадувалися особливості моделей на вуглекислому активному тілі, але також поширені іонні, гелій-неонові та хімічні середовища. Для виготовлення конструкції приладу іонні газові лазери вимагають застосування матеріалів з високою теплопровідністю. Зокрема, використовуються металокерамічні елементи і деталі на основі берилієвої кераміки. Гелій-неонові середовища можуть працювати на різних довжинах хвиль по інфрачервоному випромінюванню і в спектрі видимого світла. Дзеркала резонатора таких апаратів відрізняються наявністю багатошарових діелектричних покриттів. Хімічні лазери представляють окрему категорію газових трубок. Вони також припускають використання в якості робочого середовища газових сумішей, але процес утворення світлового випромінювання забезпечується хімічною реакцією. Тобто газ використовується для хімічного збудження. Пристрої такого типу вигідні тим, що в них можливий прямий перехід хімічної енергії в електромагнітне випромінювання.

Застосування газових лазерів

Практично всі лазери такого типу відрізняються високим ступенем надійності, довговічністю і доступною ціною. Ці фактори зумовили їх широке поширення в різних галузях. Наприклад, гелій-неонові апарати знайшли застосування в нівелювальних і юстіровочних операціях, які виконуються в шахтних роботах, в кораблебудуванні, а також при будівництві різних споруд. Крім цього, характеристики гелій-неонових лазерів підходять для використання в організації оптичного зв'язку, у розробці голографічних матеріалів і квантових гіроскопів. Не став винятком з точки зору практичної користі і аргоновий газовий лазер, застосування якого показує ефективність в сфері обробки матеріалів. Зокрема, подібні пристрої служать в якості різьбяра твердих порід і металів.

Відгуки про газових лазерах

Якщо розглядати лазери з точки зору вигідних експлуатаційних властивостей, то багато хто користувачі відзначають високу спрямованість та загальну якість світлового пучка. Такі характеристики можна пояснити малою часткою оптичних спотворень незалежно від температурних умов навколишнього середовища. Що стосується недоліків, то для розкриття потенціалу газових середовищ необхідно велика напруга. Крім того, гелій-неоновий газовий лазер і пристрої, що працюють на основі вуглекислих сумішей, які потребують підключення чималою електричної потужності. Але, як показує практика, результат себе виправдовує. Застосування знаходять і малопотужні апарати, прилади з великим силовим потенціалом.

Висновок

Можливості газорозрядних сумішей у плані їх використання в лазерних установках поки ще недостатньо освоєні. Тим не менш попит на подібне обладнання давно і успішно росте, формуючи відповідну нішу на ринку. Найбільше поширення газовий лазер отримав у промисловості. Його використовують як інструмент для точкового і акуратною різання твердотільних матеріалів. Але є і фактори, що стримують поширення такого обладнання. По-перше, це швидкий знос елементної основи, що скорочує довговічність приладів. По-друге, відзначаються високі вимоги до забезпечення електричного розряду, необхідного для формування променя.