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超脉冲技术原理和应用优势

2007-11-12 14:26
姚看江湖
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脉冲激光器原理和调Q的区别 

激光按其泵浦方式可分为连续激光器和脉冲激光器两大类。连续激光器是采用连续或长脉冲(脉冲持续时间>>能级寿命)泵浦激励工作物质,使工作物质能级反转粒子数大于阈值并维持在稳定状态,连续输出激光。脉冲激光器是采用短脉冲(脉冲持续时间<能级寿命)泵浦激励工作物质,在整个激励持续过程期间,上能级粒子数处在不断增长的非稳定状态,由于脉冲持续时间很短,在尚未达到新的平衡之前,过程就结束,激光随着泵浦脉冲的到来而输出。 

若泵浦激励时间很短,则在激励持续期间E2能级上的自发辐射的无辐射跃迁的影响可以忽略不计,在这种情况下,要使E2能级增加一个粒子,只须吸收 个泵浦光子,当单位体积吸收的泵浦光子数大于 时,便能产生激光。实验说明,脉冲持续时间越短,需要吸收泵浦能量的阈值会越小。 
在短脉冲激光器中,设工作物质吸收的泵浦能量为EP,产生激光阈值为EPt,则有输出能量  
  

公式表明,输出能量E随泵浦能量Ep线性增加,输出的能量是由超过阈值那部分能量转换而来的。 

相比于连续激光器,脉冲激光器具有更低的阈值条件,在输入泵浦能量一定的情况下,脉冲激光器能输出更高的脉冲能量。如果采用比原来更大泵浦能量的脉冲方式激励,那么激光器将输出更高的峰值功率,这样的激光器就是超脉冲激光器。  
 
超脉冲技术可以在不怎么增加成本的基础上获得相对高的功率的相对窄的脉宽,但是想要获得非常高的峰值功率或非常窄的脉宽必须使用调Q技术。 

调Q技术是指在采用某种方法使腔内的损耗因子按规定的程序变化,在泵浦刚开始时,先使光腔具有高损耗因子,使用产生激光的阈值提高,由于阈值高而不能产生激光振荡,于是亚稳态上的粒子数便可以积累到的水平,然后在适当的时刻使腔内损耗突然降低,阈值也随之降低,些时反转粒子数大大超过阈值,受激辐射迅速地增强。于是在极短的时间内,上能级储存的粒子的能量转变会激光能量,形成一个很强的激光巨脉冲输出。 

超脉冲激光输出脉宽窄,峰值功率高等特点,优势应用在阈值要求高,热扩散要求少的材料上加工,比如玻璃,皮革,陶瓷等。激光热加工指当激光束照射到物体表面时,引起快速加热,热力把对象的特性改变或把材料熔解蒸发的过程。加工过程中,作用在材料上的激光能量必须大于破坏材料所需要的能量,既是要大于材料的破坏阈值。如图1所示:左边的能量分布不能在材料上打出标记,右边的只有高于虚线部分才能在材料上打标,在加工过程中,图1虚线以下的能量,将转化成热能被材料吸收。由于玻璃,皮革,陶瓷等材料破坏阈值较高,而且对于玻璃来说,转化为热吸收的能量在玻璃中传导的不均匀,将产生热应力,使玻璃炸裂,对于皮革来说,热传导的能量使得皮革加工边缘被烧灼,对陶瓷来说,陶瓷的最外层是一层釉质,性能相当于玻璃。因此这些材料必须采用超脉冲激光加工。  
  
 
图1.激光能量分布示意图。左边连续输出激光能量分布,右边超脉冲激光能量输出,虚线表示材料破坏阈值。 

超脉冲是怎样来改良加工效果的呢?当激光束投射在材料表时,部分能量被反射,部分被吸收,部分被传递出去,具体情况取决于材料类型和激光波长。在到达材料表面的光能中,被材料吸收的那部分能量是对材料加工有用的。光能以电子和原子的振动激发形式被吸收,并转化为热能,扩散至临近原子。随着吸收的光子越来越多,材料温度不断升高,从而提高光能吸收的比例。该过程可引发连锁反应,使温度在极短时间内急剧升高。温度升高的速度取决于材料中能量吸收与能量消散之间的比例。光吸收长度是指光子能量被吸收导致光束强度降低至原来的1/e (37%)时光束传播的距离。该距离内材料吸收能量转化的热能扩散距离为L = [4Dt] 1/2, 其中L为扩散距离,D为热扩散率,t 为激光的脉冲宽度。如果热扩散距离远大于吸收长度,激光光斑处的温度升高将很有限。相反,如果扩散距离小于吸收深度,温度将急剧升高,导致材料熔化,甚至汽化。  


图2.激光输出能量示意图。左图表示连续输出能量,右图表示超脉冲输出能量,X轴t表示脉冲时间,Y轴P表示脉冲功率,阴影部分面积W表示脉冲能量 

激光输出功率与脉冲宽度如图2所示,由W=Pt,在输出相同的能量的情况下,假设超脉冲功率P2是普通脉冲功率P1的3倍,则有作用时间t2=t1/3. 由L = [4Dt] 1/2,所以L缩小为原来1/31/2倍,从上面分析可知热能扩散距离小,有利于能量集中材料加工点,而对加工点旁边热效应影响小,可加工出更加精密和光滑的效果。  

 

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