8-800-777-04-16
Санкт-Петербург: ш. Революции, 84 лит Л оф. 3Э

​Как работает лазерная трубка и блок высокого напряжения?

23 января 2017

Лазерная трубка представляет собой стеклянную колбу, имеющую 3 внутренние полости. Внутренняя и внешняя полость заполнены смесью газов СO2-N2-He, средняя полость предназначена для охлаждения лазерной трубки водой. На краях внутренней полости есть электроды (Анод и Катод), на которые подаётся электрический ток с блока высокого напряжения. При подаче тока происходит лазерное излучение.

Блок высокого напряжения — это блок питания лазерной трубки, который создаёт заряд с высоким напряжением, что позволяет лазерной трубке сгенерировать лазерный луч.

Принцип работы блока высокого напряжения:

- Включается сигнал на запуск блока.

- Срабатывает механизм поджига. Он поднимает напряжение до того момента, пока не начнется разряд (то есть, пока ток не потечет от катода к аноду). Если ток не потёк, то блок высокого напряжения поднимает напряжение до максимально возможного и может произойти следующее:

а) Блок высокого напряжения самостоятельно отключится;

б) Блок высокого напряжения продолжит выдавать максимально возможное напряжение, что быстро выведет из строя его катушки зажигания и приведет блок в негодность.

- Когда ток потечет в лазерной трубке, в блоке высокого напряжения включается стабилизатор тока. Он поддерживает заданную силу тока в цепи вне зависимости от изменения нагрузки в электроцепи.

Основные характеристики тока, передаваемого от блока высокого напряжения к лазерной трубке — это напряжение и сила тока.

Напряжение (кВ) - это работа по переносу электрического заряда от катода к аноду. У различных лазерных трубок различное необходимое напряжение для розжига. У лазерных трубок есть характеристика «Напряжение розжига» и «Рабочее напряжение». «Напряжение розжига» - это та работа, которая позволяет «соединить» катод и анод лазерной трубки, чтобы от катода к аноду потёк ток. После того, как соединение установилось, напряжение уменьшается, и лазерная трубка работает на пониженном напряжении, называемом «Рабочим напряжением».

Сила тока (мА) — это количество заряда, переносимого за 1 единицу времени. Увеличение силы тока увеличивает количество заряда, переносимое по лазерной трубке.

Для работы лазерной трубки требуется следующее:

I. Наличие в лазерной трубке вещества, в котором есть нестабильные уровни.

В нашем случае, данным веществом выступает газ СО2 и He.

II. Создание инверсной заселенности.

Инверсная заселенность — состояние квантовой среды, когда число заряженных частиц (ε2) больше незаряженных (ε1).

Если в активной среде создана инверсная заселенность, то излучение одного атома может повлиять на излучение других атомов (сверхизлучение).

Инверсная заселенность создаётся в лазерной трубке при помощи электрического разряда. Воздействие внешнего электромагнитного поля на газовую среду лазерной трубки (смесь СO2-N2-He) приводит к образованию в ней ионов и свободных электронов с дополнительной кинетической энергией, которые, сталкиваясь с нейтральными атомами СО2, передают им свою дополнительную энергию, переводя их в возбуждённое состояние (ε2).

Чтобы в лазерной трубке создалась инверсная заселенность (ε2> ε1), необходимо достаточно заряда, который увеличивается пропорционально силе тока (мА).

Генерация лазерного излучения возникает именно тогда, когда инверсия заселенности достигает некоторого критического значения. При малых токах накачки (мА) менее половины атомов активной среды лазерной трубки находится в возбужденном состоянии. При увеличении тока накачки (мА) достигается инверсия заселенности.

Каждая заряженная частица всегда будет стремиться вернуться в своё первоначальное состояние (ε2-> ε1). Это один из принципов квантовой физики. В результате перехода частицы из возбужденного состояния в обычное происходит выделение электромагнитной волны (фотона).

Возбужденные частицы способны испускать новые фотоны:

а) Спонтанно.

При этом новообразовавшийся фотон излучается неупорядоченно (некогерентно), что не позволяет наращивать мощность основного потока лазерного излучения. Является своеобразной «затравкой» в процессе усиления и возбуждения колебания частиц.

б) Вынужденно.

Вынужденное излучение фотона обычно происходит в результате:

1) Столкновений заряженной частицы СО2 с нейтральным атомом или фотоном. В результате такого столкновения столкнувшийся фотон создаёт новый фотон, которые когерентны друг другу. Ключевой момент в том, что второй фотон имеет ту же частоту, фазу, направление и поляризацию, что и первый, это свойство делает возможным процесс оптического усиления, т.е. создания лазерного излучения.

2) Резонансная передача энергии от атомов N2. В результате поглощения электромагнитного поля атомы N2 получают дополнительную кинетическую энергию, которую выделяют в виде колебаний (резонанса), который в свою очередь передается возбужденным атомам СО2 и приводит их к вынужденному излучению фотона.

3) Воздействия внешнего электромагнитного поля. Важно, что при инверсной заселенности преобладают вынужденные переходы (вынужденно излучение) с излучением когерентных фотонов. При этом потери энергии от переходов частиц в заряженное состояние становится незначительным.

При передаче энергии устройством накачки в активную среду возникает избыток возбужденных атомов. Спонтанные фотоны, возникающие внутри активной среды, взаимодействуют с возбужденными атомами и, в конечном счёте, инициируют мощную лавину вынужденно испущенных фотонов, которые и образуют лазерный луч.

III. Создание положительной обратной связи (оптический резонатор).

Оптический резонатор состоит из стеклянной колбы, слева и справа которой впаяны 2 зеркала: одно непрозрачное (коэффициент отражения 0,98), другое — полупрозрачное (коэффициент пропускания 0,5).

В оптическом резонаторе в результате отражения происходит интерференция волн. Волна, идущая вблизи оси резонатора, усиливается в активной среде и периодически отражается от зеркал. При каждом отражении волна частично проходит через полупрозрачное зеркало и покидает резонатор. Отражённая волна усиливается и при следующем отражении снова частично выходит из резонатора. Для того, чтобы пропущенный свет фотонов можно было использовать, необходима достаточно мощная лавина когерентных фотонов.

При любом отклонении от горизонтальной оси резонатора волна отклоняется от горизонтальной оси всё в большей степени и может оказаться за пределами резонатора.

Если взять всё вышеописанное, то получается следующее: напряжение электрического тока переводит частицы молекул СО2 и He на высший энергетический уровень. Частицы с высоким энергетическим уровнем сталкиваются с другими частицами и испускают фотоны, которые собираются в общий поток, многократно отражаются от зеркал и в конце концов выходят через полупрозрачное зеркало в виде лазерного излучения.

Как было написано выше, газовая смесь в лазерной трубке состоит из смеси углекислого газа, азота и гелия. Обычно пропорции газов такие:

1хCO2 + 2xN2 + 7xHe или 1xCO2 + 1xN2 + 8xHe или 1xCO2 + 6xN2 + 12xHe

СО2- основной компонент газовой смеси, в молекулах которого есть нестабильные уровни. В результате переходов этих атомов от одних уровней к другим поглощается или выделяется энергия. Поглощается обычно энергия электромагнитного поля, создаваемая лазерной трубкой вкупе с блоком высокого напряжения. Выделяется энергия в виде фотона.

N2 – дополнительный компонент газовой смеси, который является хорошим резонатором. Поглощая энергию, азот переводит 95% такой энергии в колебания. Эти колебания переходят к молекулам СО2, что заставляет их двигаться и сталкиваться между собой.

Не — многофункциональный компонент газовой смеси. Во-первых, он увеличивает скорость и эффективность опустошения верхних энергетических уровней, т.е. увеличивает скорость и эффективность испускания новых фотонов. Во-вторых, высокая теплопроводность гелия поддерживает быстрый вывод тепла из активной среды, что поддерживает низкую температуру СО2. Низкая же температура СО2 в свою очередь не позволяет создать высокую заселенность низких энергетических уровней, что увеличивает количество заряженных частиц, которые способны испустить новые фотона. В-третьих, высокая теплопроводность гелия уменьшает скорость деградации газа СО2:

Q + 2CO2 → 2CO + O2, где Q – тепло

Атомы гелия настолько малы, что способны без какого-либо внешнего воздействия произвольно проходить сквозь кристаллическую решетку стекла, используемого для создания лазерной трубки. Это означает, что с течением времени гелий из газовой смеси лазерной трубки будет испаряться. Таким образом, залежалая трубка в отсутствии достаточного количества атомов гелия не позволит эффективно использовать все имеющиеся молекулы СО2, а так же увеличит скорость распада СО2. Это проявится в низкой мощности излучения и быстрого истощения лазерной трубки.

Для ионизации частиц газа в лазерной трубке необходимо высокого напряжение, генерируемое блоком высокого напряжения. При пробоях на контактах анода и катода лазерной трубки и истощении газовой смеси напряжение, необходимое для розжига трубки (получения обратной связи), возрастает, сопротивление лазерной трубки так же увеличивается. В определенный момент понадобится напряжение такой мощности, что блок высокого напряжения не справится с задачей «поджига» лазерной трубки и может произойти электрический пробой внутри блока. В результате такого пробоя электрический ток попадёт на металлический корпус блока высокого напряжения, откуда дальше потечет в другие электронные компоненты станка, а так же в тело человека, который в тот момент будет касаться станка. Чтобы избежать выхода из строя блока высокого напряжения и других сопряженных с ним элементов (в т.ч. лазерной трубки), необходимо качественно изолировать контакты соединения лазерной трубки и блока высокого напряжения и заземлять блок высокого напряжения.

Увеличение силы тока увеличивает кол-во заряда, переносимого от катода к анода в лазерной трубке. Увеличение заряда увеличит количество частиц в газовой смеси (в активной среде), участвующих в образовании фотонов и создании электромагнитной волны, которая на выходе из лазерной трубки проявится как лазерное излучение. Но нельзя забывать, что контакты внутри лазерной трубки рассчитаны на определенное максимальное количество заряда, способное проводить в единицу времени. Это означает, что при превышении максимально возможной силы тока, анод будет разрушаться, частицы его будут попадать в газовую смесь лазерной трубки, отравлять её и способствовать более быстрому выходу из строя лазерного излучателя. К тому же и сам контакт может в итоге выйти из строя, что так же приведёт лазерную трубку в негодность.

Лазерная трубка имеет обратную вольт-амперную характеристику, поэтому чем больше сила тока, тем меньше напряжение. При маленькой силе тока напряжение настолько велико, что возрастает опасность пробоя блока высокого напряжения.

Для описания параметров тока лазерной трубки есть 2 важнейших параметра: напряжение (кВ) и сила тока (мА). Напряжение можно рассматривать как некоторую величину, необходимую для розжига лазерной трубки. В дальнейшем величина «рабочего напряжения» будет ниже «напряжения розжига». Значит, при выборе блока высокого напряжения к лазерной трубке необходимо, чтобы блок высокого напряжения был способен выдавать как минимум такую величину напряжения, чтобы суметь зажечь лазерную трубку. Практический смысл в том, что для розжига маломощных трубок в принципе можно использовать блоки, рассчитанные на более мощные лазерные трубки. А вот ставить на маломощные блоки трубки с высокой мощностью не рекомендуется, потому что если блок не сможет разжечь лазерную трубку, то он будет повышать мощность до тех пор, пока не выйдет из строя. Перейдём к силе тока: важно не подавать на лазерную трубку силу тока, которая не рассчитана для данной модели трубки. Превышение силы тока выведет из строя контакты лазерной трубки, что приведет её к быстрому истощению и негодности.

Таблица 1 Характеристики лазерных трубок

Трубка

Сила тока (мА)

Рекомендуемая сила тока при длительных нагрузках (мА)

Напряжение розжига (кВ)

Aipulong 50 вт

18-22

20

21-22

Tongli 50 вт

18-22

20

21-22

Aipulong 60 вт

25

23

24

Lasea 60 вт

22

20

19

Aipulong 80 вт

28

23

28

Lasea 80 вт

28

25

28

Lasea F2 80-95 вт

28

26

19

Reci S2 90-100 вт

25-29

25

19

Yongli A2 80-100 вт

26

24

25

Lasea F4 100-120 вт

30

28

24

Reci S4 100-130 вт

26-30

26

24

Reci S6 130-150 вт

32

28

28

Lasea F6 130-150 вт

30

28

28

Reci S8 150-180 вт

32

28

30

Lasea F8 150-180 вт

32

30

30

Таблица 2 Характеристики блоков высокого напряжения

Блок высокого напряжения

Сила тока max (мА)

Напряжение max (кВ)

HY-T40

20

22

HY-T50

22

25

HY-T60

24

35

HY-T80

28

40

Reci DY-10

28

35

Reci DY-13

30

40

Reci DY-20

35

40

Lasea F80

28

40

Lasea F100

32

45

Таблица 3 Лазерные трубки и подходящие к ним блоки высокого напряжения

Трубка

Блок для рекомендованной силы тока (с ограничением по силе тока)

Блок для максимальной силы тока (с ограничением по силе тока)

Подходящий блок

Aipulong 50 вт

От HY-T50

От HY-T60

HY-T50

Tongli 50 вт

От HY-T50

От HY-T60

HY-T50

Aipulong 60 вт

От HY-T60

HY-T80, DY-13, DY-20, F80, F100

HY-T60

Lasea 60 вт

От HY-T50

От HY-T60

HY-T50

Aipulong 80 вт

От HY-T60

HY-T80, DY-10, DY-20, F80, F100

HY-T60, DY-10

Lasea 80 вт

HY-T80, DY-13, DY-20, F80, F100

HY-T80, DY-13, DY-20, F80, F100

HY-T80, DY-10, F80

Lasea F2 80-95 вт

HY-T80, DY-10, DY-13, DY-20, F80, F100

HY-T80, DY-13, DY-20, F80, F100

HY-T80, DY-10, F80

Reci S2 90-100 вт

HY-T60, HY-T80, DY-10, DY-13, DY-20, F80, F100

HY-T80, DY-13, DY-20, F80, F100

HY-T80, DY-10, F80

Yongli A2 80-100 вт

HY-T60, HY-T80, DY-10, DY-13, DY-20, F80, F100

HY-T80, DY-13, DY-20, F80, F100

HY-T60, DY-10

Lasea F4 100-120 вт

HY-T80, DY-13, DY-20, F80, F100

DY-20, F100

HY-T80, DY-13, F80

Reci S4 100-130 вт

HY-T80, DY-13, DY-20, F80, F100

DY-20, F100

HY-T80, DY-13, F80

Reci S6 130-150 вт

HY-T80, DY-13, DY-20, F80, F100

DY-20, F100

F100

Lasea F6 130-150 вт

HY-T80, DY-13, DY-20, F80, F100

DY-20, F100

HY-T80, DY-13, F80

Reci S8 150-180 вт

HY-T80, DY-13, DY-20, F80, F100

DY-20, F100

F100

Lasea F8 150-180 вт

F100, DY20

DY-20, F100

F100

Ограничить силу тока можно 2-мя путями:

1. Настроить блок высокого напряжения, чтобы он максимально выдавал силу тока именно такую, которая подошла бы вашей лазерной трубке.

2. Не использовать блок высокого напряжения на 100% мощности, таким образом вы вручную находите некий предел мощности (в процентах), выше которого использование вашего блока высокого напряжения будет губительно для вашей лазерной трубки.

Мощность лазерной трубки можно увеличить несколькими способами, один из которых доступен даже потребителю:

1. Изменить состав катода.

Катод лазерной трубки можно покрыть золотом.

2. Увеличить длину лазерной трубки или её диаметр.

Одной из характеристик, описывающих резонатор Фабри-Перо, который используется в лазерных трубках, является Добротность резонатора (Q). Приблизительно характеристику добротности можно описать как отношение мощности запасенной энергии к мощности потерь энергии. Добротность будет выше, если резонатор способен запасти больше энергии, или же потери энергии в результате отражений будет меньше. Одна из формул, которой можно описать Добротность (Q) выглядит так:

Q = 2πL

λ * (1-r), где

Q – добротность

L – длина резонатора

λ — длина волны

r – коэффициент отражения зеркала резонатора

Отсюда видно, что при увеличении показателя L (длины резонатора) в числителе, мы увеличиваем добротность. Увеличивая показатель r (коэффициента отражения оптического элемента) мы снижаем значение знаменателя, что опять же увеличивает добротность.

3. Сильно охладить лазерную трубку.

При низких температурах возбужденных частиц в лазерной трубке становится больше, к тому же уменьшается скорость деградации газовой смеси. Но помните, что охлаждать надо с умом!

Так же есть один из доступных способов охлаждения лазерной трубки до температуры ниже точки росы: провести разные контуры охлаждения для оптики лазерной трубки и остальной её части. Для этого необходимо создать дополнительный контур охлаждения вокруг оптики лазерной трубки, куда подавать воду на 2-3 градуса выше точки росы во избежание запотевания. Например, обмотать вокруг оптических элементов тонкие силиконовые трубки, через которые подавать теплую воду.

Лазерные трубки обычно рассчитаны работать при температурах от +10 до +40 градусов по цельсию. Но, как было написано выше, чем меньше температура эксплуатации газа СО2, тем медленнее будет происходит его распад. Оптимальной температурой эксплуатации в помещении с температурой +25 градусов по цельсию и влажностью 45-55% считается +14 градусов по цельсию. То есть, температура жидкости, охлаждающей трубку, должна быть +14 градусов по цельсию. Можно было бы охладить трубку ещё больше, но возникает проблема в оптическом резонаторе лазерной трубки. По краям резонатора стоят зеркала, которые способны запотевать при достижении точки росы. Запотевшее полупрозрачное зеркало сильно снижает его способность к пропуску лазерного излучения. Поэтому температура охлаждающей жидкости должна быть выше на 2-3 градуса по цельсию рассчитанной точки росы для помещения, в котором находится лазерная трубка. Так же надо учесть, что при приближении к точке росы на оптике лазерной трубки будет возникать конденсат. Если этот конденсат образуется на контактах лазерной трубки, то это может вывести из строя и трубку, и блок высокого напряжения. Хорошая изоляция контактов поможет избежать возникновения данной ситуации. Охлаждать трубку можно не только дистиллированной водой, но и различными хладагентами, в т.ч. антифризом. Но это имеет смысл делать только в тех случаях, когда температура и влажность помещения позволяет охлаждать лазерную трубку до отрицательных температур. Стоит так же помнить, что теплоемкость антифриза на 25% ниже теплоемкости воды, так что вода как охладитель эффективнее на четверть. Возбужденные частицы в активной среде лазерной трубки испускают светимость. Это проявляется в красном, иногда фиолетовом свете, исходящим от потока лазерного излучения внутри лазерной трубки, который движется вдоль оси резонатора. Чем больше атомов участвует в создании электромагнитной волны, тем насыщеннее будет свет внутри лазерной трубки. Свечение газа в данном случае — это колебание молекул с одинаковой частотой. С истощением газовой смеси цвет излучения внутри трубки будет белеть. Но белый луч внутри лазерной трубки говорит не только об истощении газовой смеси. При высоких температурах охлаждающей жидкости, начиная от 23-25 градусов по цельсию, мощность лазерной трубки может заметно снизиться и луч побелеет. Это говорит о перегреве газовой смеси: заселяются нижние энергетические уровни, лазерная трубка не может эффективно использовать имеющиеся в её распоряжении атомы СО2; увеличивается скорость распада СО2.

Таблица 4 Подбор чиллера для охлаждения лазерной трубки

Трубка

Мощность (Вт)

Общее выделяемое тепло (при КПД трубки = 10%) (Вт)

Чиллер

Tongli, aipulong

50

500

3000/5000

Lasea Cl-1200, aipulong

60

600

5000

Lasea Cl-1600, aipulong

80

800

5000/5200

Lasea F2

90

900

5200

Reci S2

100

1000

5200

Lasea F4

110

1100

5200

Reci S4

120

1200

5200

Lasea F6/Reci S6

140

1400

5200

Lasea F8/Reci S8

160

1600

5200/6100/6200

Tongli, aipulong — 2 шт.

100

1000

5200

Lasea Cl-1200, aipulong — 2 шт.

120

1200

5200

Lasea Cl-1600, aipulong — 2 шт.

160

1600

5200/6100/6200

Lasea F2 — 2 шт.

180

1800

6100/6200

Reci S2 — 2 шт.

200

2000

6100/6200

Lasea F4 — 2 шт.

220

2200

6100/6200

Reci S4 — 2 шт.

240

2400

6100/6200

Lasea F6/Reci S6 — 2 шт.

280

2800

6100/6200

Lasea F8/Reci S8 — 2 шт.

320

3200

6100/6200

Табица 5 Основные характеристики чиллеров

Чиллер

Мощность охлаждения (кВт)

Сила потока воды (л/мин)

3000 AG

-

10

5000 AG

0,69

10

5200 AG

1,49

10

6100 AH

4,13

12

6200 AH

5,13

12

Вызовите специалиста «IQCNC»!

Перед заказом услуги вас бесплатно проконсультируют

Или звоните по телефону 8-800-777-04-16

3 комментария

  • 13 ноября 2019 12:14
    Очень толковая статья! Спасибо!
    После прочтения статьи появилось мысль. А что если все патрубки системы охлаждения заложить в теплоизоляцию, а для самой трубки создать изолированное от основного помещения пространство. И охлаждать трубку в примеру до 5 градусов.
    В основном помещении 25, в шкафу для трубки температура снизиться до 10и, а трубка будет 5. И росы нет и режим хороший. ))))
  • 13 ноября 2019 12:16
    Буду благодарен за ответ
    max201087@gmail.com
  • IQCNC 13 ноября 2019 12:58
    А как вы получите 10 градусов в шкафу для трубки?
    В шкафу конденсат тоже будет, эффект холодильника.
Написать комментарий