LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Transkrypt

1 LASERY I ICH ZASTOSOWANIE Laboratoriu Instrukcja do ćwiczenia nr 4 Teat: Poiar energii ipulsu lasera neodyowego

2 1. Cel i zakres ćwiczenia. Cele ćwiczenia jest zapoznanie się z warunkai pracy ipulsowego lasera na szkle neodyowy, zierzenie energii ipulsu. Ćwiczenie obejuje wykonanie otworów w cienkiej etalowej blaszce oraz dyfrakcyjne poiary paraetrów geoetrycznych tego otworu. 2. Wiadoości ogólne. 2.1 Laser na szkle doieszkowany neodye. Szkła, będące ciałai bezpostaciowyi powstałyi przez stopienie tlenków krzeu, węglanów wapnia, sodu i potasu ogą być osnową ateriałów czynnych, przy czy ożna uzyskać większe wyiary i lepsze właściwości optyczne prętów laserowych niż to a iejsce w przypadku kryształów. Materiałe czynny w szkle są najczęściej jony zie rzadkich: neody, terb, hol, europ. Najczęściej rozpowszechniony ateriałe jest szkło barowe doieszkowane neodye. Ipulsowo pobudzane lasery na szkle neodyowy stosowane w technologii elektronowej i obróbce ateriałów są używane głównie do punktowego spawania ałych eleentów etalowych oraz drążenia ałych otworów w etalach, diaentach, rubinach i ceraice. Pracują one wówczas najczęściej w sposób wielonożowy ( tzw. Mody podłużne ), w warunkach tzw. Swobodnej generacji tzn. przez prawie cały czas trwania ipulsu pobudzającego. Laser jest pobudzany etodą popowania optycznego, tzn. przez absorpcję proieniowania lapy błyskowej w pręcie laserowy. Energia ipulsu proieniowania pobudzającego jest określona wartością energii zagazynowanej w kondensatorze naładowywany przez lapę błyskową. Laser eituje w sposób ipulsowy wiązkę proieniowania o długości fali λ=1,06μ. Kształt swobodnie generowanego ipulsu laserowego jest na ogół chaotyczny wieloszpilkowy (rys. 1).

3 Rys.1 Wieloszpilkowy ipuls proieniowania lasera neodyowego w warunkach swobodnej generacji (podstawa czasu 200µs/dz) Rys.2 laser Głowica lasera neodyowego: 1 lustro T=0%, R=2000, 2 reflektor, 3 spiralna lapa błyskowa, 4 pręt na szkle neodyowy ø15, 5 - lustro T=30%, R=. Taki charakter generacji lasera jest spowodowany lokalny wyczerpywanie się pobudzenia pręta laserowego oraz jego tericzną deforacją optyczną. Wido proieniowania jest złożone (zawiera wiele częstotliwości). Szerokość wida dla lasera neodyowego wynosi Δ λ=5-13n. Lasery neodyowe ogą również pracować w sposób jednoodowy, w odzie podstawowy TEM oo. Można to osiągnąć przez unieożliwienie generacji odów wyższego rzędu np. wprowadzenie przesłon do rezonatora optycznego lasera. Energia ipulsu proieniowania w drążarkach laserowych wynosi od 1 10J. Sprawność laserów na szkle neodyowy jest ała do kilku procent. Większość energii pobudzającej jest wydzielana w głowicy laserowej w postaci ciepła, powodując.in. wzrost teperatury pręta laserowego. Powoduje to deforację optyczną i wpływa niekorzystnie na paraetry proieniowania lasera. Jest to szczególnie ważne przy dużych częstotliwościach ipulsów pogarsza się powtarzalność wartości energii ipulsów laserowych do ok. ±10%.

4 Konstrukcja ipulsowo pobudzanych laserów neodyowych zawiera: 1. Zespół głowicy laserowej (rys2) zawierający: - pręt laserowy, - rezonator optyczny, - lapę błyskową, - reflektor. 2. Baterię kondensatorów. 3. Zasilacz. 4. Układ chłodzenia głowicy laserowej. Zespół głowicy laserowej usi zapewnić: - aksyalne przekazywanie proieniowania pobudzającego z lap do pręta laserowego, - odpowiednie chłodzenie pręta laserowego i lapy błyskowej, - odpowiednią sztywność echaniczną rezonatora optycznego. Wzrost teperatury pręta laserowego na skutek absorpcji proieniowania pobudzającego powoduje jego deforację optyczną wywołaną: - zianą wyiarów geoetrycznych pręta, - zianą współczynnika załaania ateriału pręta, - powstanie w pręcie naprężeń echanicznych. Rezonator optyczny w laserach z ciała stałego tworzą dwa selektywne, wielo warstwowe zwierciadła dielektryczne. Zwierciadła te są naparowane na płaskie lub wklęsłe podkłady ze szkła optycznego BK-7. Odchyłka płaskości lub sferyczności powierzchni podkładów wynosi najczęściej λ/10. Jedno ze zwierciadeł jest prawie w pełni odbijające (ze względów technologicznych współczynnik odbicia osiąga najwyżej 99,9%), drugie natoiast jest częściowo przepuszczające o współczynniku transisji najczęściej w granicach 10-50%. Rezonator płaskosferyczne i sferyczne dają większą rozbieżność wiązki, są natoiast niej wrażliwe na rozjustowanie. Zasilacz jest zasilany z sieci 230V, 50Hz i posiada regulację napięcia wyjściowego do 4kV ± 1%. Natoiast pojeność baterii kondensatorów wynosi 150μF. 3. Przebieg ćwiczenia Poiar energii ipulsu laserowego.

5 Poiar energii proienistej lasera ipulsowego odbywa się przy poocy iernika MODEL 142 INDIKATOR. Sonda poiarowa iernika zaienia krótki ipuls proieniowania laserowego na długi ipuls elektryczny. Aplituda tego ipulsu jest proporcjonalna do energii ipulsu proieniowania laserowego. Sonda poiarowa działa na zasadzie absorpcji objętościowej: Proień lasera pada na płytkę absorbenta, zaienia się na ciepło i podnosi jego teperaturę. Przyrost teperatury absorbenta jest ierzony za poocą stosu teropar (rys.5). Napięcie wyjściowe z sondy zostaje wzocnione i ożna odczytać jego wartość na skali. Maksyalna wartość tego napięcia jest proporcjonalna do energii proienia laserowego tak, więc ze skali iernika odczytujey wprost wartość energii proieniowania. Obsługa przyrządu przy wykonywaniu poiarów: 1. Przyrząd powinien być przyłączony do gniazdka z bolce uzieiający lub uzieiony dodatkowy przewode. 2. Włączyć zasilanie iernika wyłącznikie (2) i odczekać około 10 inut na nagrzanie przyrządu. 3. Przyłączyć przewode koncentryczny sondę poiarową z gniazde INP (8) 4. Przełącznik (7) ustawić w położenie górne. 5. Wyzerować iernik pokrętłe zerowania (4) ADJUST OFFSET OR ZERO naciskając przycisk zero (9). 6. Ustawić sondę na drodze proienia laserowego. 7. Przełącznik (7) przestawić w położenie dolne PEAK HOLD. 8. Wyzwolić pojedynczy ipuls lasera. 9. Odczytać na wskaźniku (5) wartość ipulsu laserowego. 10. Następny poiar ożna dokonać po upływie 60 sekund i wykonujey czynności od punktu 4.

6 Rys.4. Miernik energii MODEL 142 INDIKATOR. 1-Lapka sygnalizacyjna włączanie zasilania MAINS. 2- Wyłącznik zasilania ON. 3- Gniazdo bezpiecznikowe. 4- Regulacja składowej stałej lub zera ADJUST OFFSET OR ZERO. 5- Wskaźnik wychyłowy. 6- Przełącznik zakresów. 7- Przełącznik rodzaju pracy: położenie górne poiary wartości chwilowej energii, położenie dolne zatrzyanie aksyalnej wartości wskazań energii PEAK HOLD. 8- Wejście sygnału poiarowego z sondy I.P.N. 9- Przycisk zerowania ZERO. 10- Przełącznik asy: położenie górne wyłączenie, położenie dolne włączenie ziei MAINS EARTH. Rys. 5. Fotodetektor

7 1 Okrągła płytka absorbująca proieniowanie 2 Stos teropar 3- Końcówki przylegające Poiar energii ipulsu laserowego należ wykonać w układzie poiarowy Rys.6. Scheat układu poiarowego. 1- Laser. 2- Filtr neutralny. 3- Terostos. 4- Miernik energii. - cała wiązka proieniowania laserowego powinna trafić do okienka wejściowego fotodetektora, - filtry neutralne powinny być wyskalowane, - średnica powierzchni czynnej okienka wejściowego fotodetektora powinna być większa od średnicy wiązki laserowej, - Przed wykonanie poiaru należy sprawdzić czy energia wiązki laserowej nie przekracza energii dopuszczalnej czujnika, która wynosi 30 J/c 2. Badania należy wykonać za poocą filtru neutralnego Wykonanie otworu obliczanie średnicy wiązki zogniskowanej 2w z zależności ( 2.1 ) dla x p = 0 otrzyujey λ f w = π w gdzie : λ - długość fali 1,06 μ f - ogniskowa soczewki ( rys.9 ),

8 w proień wiązki laserowej, w =5 Cienką blaszkę etalową uieszczay w płaszczyźnie ogniskowej soczewki i wykonujey otwór ipulse laserowy Poiar średnicy wykonanego otworu ( rys.7 ). Scheat powstawania dyfrakcji Fraunhofera na kołowy otworze płaski nieprzezroczystej przesłonie przedstawia rys.7. Wiązka oświetlająca otwór o średnicy a jest równoległa i ekran znajduje się w dostatecznie dużej odległości od otworu spełniając warunek a 1 d >> 2 λ Mierzyy odległości iędzy cienyi prążkai tego saego rzędu. Sinus kąta φ z zależności : Sin φ = sin arc tg ( l / 2a ) ~ l / 2d Średnicę a otworu obliczay ze wzorów : 2 a 1 = 1,226 λ / sin φ 1 a 2 = 2,333 λ / sin φ 2 a 3 = 3,238 λ / sin φ 3 gdzie : λ = 0,6328 μ May do czynienia z serią poiarową gdzie średnica otworu a jest otrzyana z różną dokładnością. Wartość średnią dla wszystkich poiarów obliczay wg następującego wzoru określającego tzw. Średnią ważoną a: φ 3 l 1 a φ 2 l 2 l 3 φ 1 d Rys.7. Poiar średnicy otworu

9 a średnica otworu, d odległość od przediotu badanego,l 1, l 2, l 3, - odległość poiędzy iniai pierwszego, drugiego, trzeciego rzędu, φ 1, φ 2, φ 3 kąt ugięcia dla iniów pierwszego, drugiego, trzeciego rzędu 1 2 Δk o Rys.8. Odchyłka kołowości. 1 okrąg rzeczywisty, 2 okrąg przylegający, 3- Δk o odchyłka kołowości. ω l 2r s f Rys.9.Scheat ogniskowania wiązki laserowej. n P a / 1 a= n P / 1 gdzie : p jest tzw. Wagą poszczególnego poiaru i wyraża się wzore: B p = 2 ( a ) Błąd aksyalny średniej ważonej znajdujey z zależności:

10 Δa= n P a / 1 n / 1 P gdzie: Δa błąd aksyalny wyniku określony wg. wzoru. Δa = a d d + a l l odchyłka kołowości ( rys.8 ). Odchyłka kołowości największa odległość iędzy kołe rzeczywisty w przekroju poprzeczny walca kołowego do koła przylegającego. Określay odchyłkę kołowości otworu wg następującej zależności: aax a Δ ko = in 2 Gdzie: a ax - średnica aksyalna otworu, a in - średnica inialna otworu Oblicz głębokości otworu. d= ρ H t p ( C Tv + LV ) H - gęstość powierzchniowa ocy wiązki laserowej ( 0, W/ 2 ), t p czas trwania ipulsu ( 0, s ), ρ gęstość ateriału z którego wykonana jest blaszka (7870 kg/ 3 ), C ciepło właściwe ( 449 J/( kg K )), T v - teperatura wrzenia ( 3160 K ), L v ciepło parowania ( 6, J/kg ), Literatura. 1. S. R. Meyer Ardent: Wstęp do optyki, PWN W wa H. Klejan: Lasery, PWN W-wa W. Wyrębski: Lasery właściwości budowa zastosowania specjalne, MON W-wa 1975.