Prelucrari termice cu laseri

97 Pages·1986·13.886 MB·romanian, english

by  Victor George Velculescu, V. Draganescu

Lei 175O
v.
r>iÄGÄNESCu V. G. VELCULESCU
PRELUCRÄRI TERMICE
CU LASERI
DlTUc Di:MIEI P -pugLIcI SOCIALISTE ROMXNIA
1986
In memork Profesortdui
1. 1. Ag4rb‘Iceanu
AUTOHU
1
Prefatä
THERMAL
PROCESSc BY LASEJ?S Inrpaeliii ii ilui f nanii infpi1ire 1corillor fizice
—- —---
in(lustria ii ienera1 noi 1 ii1oiii. dc o nnn‘ varietate i ficienti, iii
TEPM14qEcRJ
OBPABOTRJ,j .1A3EPHMM JIyqoj cele mai di erxe doincnii dc ap1ieilii. Pe mm dintre direetiile atfeI einer—
gente. ec p1e‘inti un h1ere dii‘ebit. e in eile .ubieeIiii ordat in
prezeiita eari‘ : prelneri‘ii‘ilc 1ciiniec eii Ineru1.
@ 1mIe01)11‘ CU11OSC111 fa1iii fo;lli/arca radialiei laser poate
determinii eleete 1einiiee ( gam ctrctn dc hna. dc in ineilziri de
oi‘diiiul Mmiiiui nceeaic, dc pi1di. oagnliirii suigciui In iih elul retinei
ochiuhii pini in—-linpeialiiri de ordinul a 108 K, eal (teritiee pinmeior
---
deiNe. dc ilit(1V 1ernioiiuelear. In .ice1 inteiiI e eupriml si nnIziriie
ebtiiiutc Cii deiNilili dc putele mcdii, (le 102__107 1iin2, cre deierrnin
efeele 1czniiee Idciiiifien1e in zoiin tempemntiiriior dc 102 1(, K. adic.
a lcJri])19alurilor uziiale iii ple111(1111ile. nueiouziiiajcle i Im ianientele
iermiee praelieate in iiidulne. 1)edieata :lee‘.liii eimp dc apli( aii. eartea
dc falIi (1ci1101151rcaza cii argunwn1e profeii11ade de o de»e1i calitate
eil. in nii1eile dc pieIuciiii 1eilui(P. laei111 iiii ioiisliinie numai o aniant
fliii piceisa i miii eficieiiia n )neloIe1oi C()1iV(1i1ionale. ei, iii illUlte cazura,
eS1P iiIii(a i0i1Ili( 1).(nihilii
1 uiioitoni dc niiuili iiiifl ii -1ik;ecti11Hi. 111ai lii idiiZa1ea. in
ami 60. —UI) conduceien ]))ofcsOrliltii 1011 1. A‘II1)j(eal,U. ii iwiiiiilor lasen
ini neIi 4 activiml dc alWH1 in cidonu1 dc frau1c iii ceicetan i dc q)eeiali—
tale din min noastri. amnnii, 1)i. V1Nile D1igftflc‘(U f iii S(Cji Lasen a
Centruliii National dc Fizien, i 1)r. Vietor George Veleulescii au pus la baza
iiioiiogia P (Hic 0 colisiicii pielueiLililor tennice cl laeinI. o premi.
cc eXpilnul (lileet lIiVaiiiHi1Iidc ‘. iU—IPi loi i-Xpc1ienc UI dOllieiliU aceea
ei oblinden efeciiv ii rezuluilcloi euiiui1c prin indreptaica mmi laser
aupra mmi material depinde in mod ccnial dc alegeica Iasemu]ui adeevat,
Care luiicioHeze iii icgimnl cirepunz:w)r, i eu un faseiui ajutat
coicct 11) fiiiieti( ele apli(aiiii (eiLIIl dc Hinteiialiil eoncIct in ca
1iniiaI dc lii aeeii1ii. cailca niy1lie te ii da (iihoniilui. virrual iiiilizatoi
al tehnologiiioi dc acct fel. niijioncele dc 1L Imreil precielenlmlia ca ii
uficienii preei7ie efcctc]e 1eninice nie mmi ti1) (In1 dc inier, sau, imi1 a.proape
dc coiidiihie pracliec. dc a—1 njui.1 ‘ii i nicaa In cniil ccl mai ioie-1iiiiititoi
-
aplicaliei pc care 0 Hima1c‘1e.
Liwmaiea cte 01Hnizalii 1W tp1 pito1e. ‘Iid inolivalc UI eeouomia
uHamb1ului. In pninicle dOUn eipitole .e llczmti pnineipiile dc tuncionare
ii 1a—emn1iii. (‘1aii. olientali pic nevoile dc informare nie u.nlizntoniloi,
exT)Uileica ii eiicauiä ‘ia—i iiie1eagIi. pelillil Cd HpOi p0al foiosi cit
rflai efieieiim intiunicntiil (C))liHi dc 111(111. lii corilinuale -inl licente In
.
FDITL:f \± kIjll1.j 1EPBLIc]f SOC1ALIS1- F0MN14 rdecvpisutlicrpcroipieinceiirigi1iec. Lnnadseiaritlieoir lcausenr.eo-d.ium11i‘n,iiinhtiEoxiii-esledmcdccaorbscobni Iicei-iec al.ceogrete1
Ei. 9717. Buci.restj, C1 a Victoriei nr. 12j 0 deenicre iuni detalinill. Pngiiii dc ui: intere— peeua1 pieziiti1 ca1itiitue
5
dicdolameCrneunltrduel aNplaitciaoinealaldkeerFi1izoiicae.fectiv- reahzati in setia de peoialitate
tepoimiinnneabeatsriatarttnaaeglgirulriiraaeiCiaattifilaeeni1eplst1osetiioetpsnrraopeeslldeesteaurciaxeLslainpze.flai.trevcelroeiPDte,lrsrtneuoaociibrt,bulanielmeaeaccnmsoutipaurrraeraeelctnsedsftptipaieulp7et,onercäeiozitulrteicacotocoilrtpmirrraliaooacpinrrrIoonsapnpappeeasieoruiurirrtteipesttnealrrdeautnee,ceorlaliaaiancnsdsscseeaiearoilrineioemil,fricrenddlatieiiurereuepodlc‘umuouiotr,-aeinsnriecmseetoeraienncpitseiuintuGnprttneeuueeriiS1ietl1elee1ifal1t Tabla dc materii
lmtplod1epiriaadsnueongVecdecsaneinichiieefuefa,ti)iolicrilecrIcopeiedeiiluclaCnttilca0noIiiuitt1.itmltttcaaiit1o)alaouuaov,t)apbetal,tUihIezlit»)ieHpiuuitomtaeliooudcI—l‘ttrtnlajeileaceitlueilafizfpecU,eloaluue(alIicvulllateTndtaoUipofaandliii‘ullllpthzccnu,atieeaiumiuiren7ltolfbnVloieflsolzu‘iitltenptd,iItiiripäioJi-caniailaialgdhnrOJmcIdtgemattiViia(baainitu.actuiocc(ImosonrutntaEoieieioa(perlilenjmn)fip1ncivtuin1eloVitittcuinaiocr‘taathii,iieetilidilclndcinlpätlidcltt‘iteudtou1a1leucpe7ioitn),Pprinesliim.lxtieitnedodiuionia1fle1Ulrenrriiumtrcmnlmieaiie-*ltumnm1eceesoUpitäiecaieeiorcneetige7io1cioattciiaiieeon1adnatna‘1d‘cai1intirailecdicie-eicditloaiexiatc.(oeitiLpeaUttluungpi,iIaxziim1tiii,stgeseUnuo,mieecrrambdOerlderiicoiiedepi1emfuepkauonIiiriIlicliaca(a.ceneeacttur‘eetiniriecnAiefnan(dadece1aontticpOaa1eacr1ies1tem1it1aisteac7iectpäliiftz1iuuilbrclo1ru((oetdi1tiaeaia7ei1reirpdniuIlittiUIeicpihierrdlioiitieinoe1n.oiliiicppflnettirtractie.iimoeeizaiadtrtceldouiu1izpriitanlecmiscacreainceitnipteitssiuoetuvnateltfiuisermlinrirtnaatieptieiomendiuacusnlzeritldeieeaineae,e CCCaaapppiiitttooohlhuuilll 3223f:2311I1113l.I.....i...31.2341213C1.21........C..LPOEDMpCLaLECrC4iaixiaoafetroaeovesmiehstftrceeicepumelutipprctaiirpIiizuoOutpit.iia,iaolllCeiUlllcreecetiMieeilfiltiaileudi1tepsirCcteeemeelIiialz,iillcepaOnditdosaucariiCeuidur1dinCi1iiasiiCtinaidilaSifctiicøciiolcIfit‘iiliifillvotapnslrsiaemøjmisnpieoiraiiridnizdffuolo1rallieiop1liseifIliilCcidarceiniotspecrriem1lauiice0eniri. (.er— 6565432251527057575839
lpcpdIcppaltdaenaeiMooece7sdd‘crreuidiiaaodmtiticluseetileaeeurrilrsmtiIhenmr(iinala,apnieanH7epnecnancrosioiepiiclaanutei[saezttpetiituciuo(ujhecoslifldirOneidirinfletnioiutssiacdcrnudtaiiaidca(ahtnt1ettinii)l-ia—1ieaiietii-imseeprncfi1stillrttiio,‘oe(ico.il,ensunrahcviuntduSitamioreee(onldiiar1llp.leciUeisotuiinpeHmr‚iimliraImat.ae-ui0tiuzmsae(4iLHitaiitrt(ntnZiescliernirtittitpeniiioiiiaclimmod‘ile(ificn.o,1eepeoeiilIr‘nuct50simic1a0sihnm1.ir1iudet1cc1exm1c,eUl)emecir1ttsatilemaineetnstipriip1tm‘Ciieeettcetl‘Oraieu1uiai1f1flptcl1lio1adu)iomitIrlicilImcgiimi1iinn.ratUoirieeeapiaeirlniaeisizeit,iHrhoionsxenriloiltptunaviiilniiiiunlaliaeuiiprslrdl1u(elr11iete1ie0fiien9ajaadiuft.gsccliicUreaiiiore(li11iiiBiiircclipeierdpd1uui,aiuit,htuheliaeclmsiIimuin1IlicteenUi1iuie—i1i,i1ii C(inappiittoohhiill 4444445IVV.......564123.1........jntiPAESESCTieroooeaoiOeap1nillmprdlifuuzaaitlictit(iirlriiirl,aceiaeiiiii“aaibuticainlilmueiaoiiineu1ti‘ita1iairltd1t1adlectiaIniuieiatnsme,iuieJieinieiaøiUitcir}e—0uil)ieia}1cteiniloe1ieini1UiodddicäiuaitInni1fedaid1iziritieaniIpntn“enlstirmhuiiitoiiinraadirnieenriegnilileflsetaa 1707697879536161909
dasailsaucpicfpraeiraeizpaionii,r0cNrdifeiiouileictdne1iciciiioetelae1iuxIfid9aamnIil8piicinp5u1eruii,neaatciiicadresiltIaiitiiicen4iziczuuiiaiilanlpftolruroaauiaercgsrinrarieo1clasrraaopruiruerelerlterdiirinoetidt1iueerleoeuhdaeoic1ulc.cxust)iiäeoiiisivgrbliuteolineiiianatgtnscailddeeiioulcmlradocetorcrifrdiioromrrilslnoilaeocunoeperpsircietiuinsiuotrI1seeoenieni.snaatvdcdreraece.scenciiazfiteootv.eivploo(soic‘rliniubtdiioaaaminilrleiioeeeunta,,saricitusabioiitinnsrnrutdciilriieaiedetcinsarauetirinadrlancutieaialäinirauepiolidirolaioaairvrrsase2ee(petel3rrreet. Capitoiul 6666.5V4.....42312i....... APTEurVUjerxl‘dnt&iacefetunpolaeoinumrpnfizoilhpezeiuiaannm1ratdetejiiac1eciuntdle(zau1ri0nmnilatfiaiacfsizreteSircucmiuilueltaaissrheaeundhg1iimeicrbeeariicla(Jbip1inpnienitilor 11i111101n1231685990
fizico-hiflhid0 138
Acad. prof. IOAS ii{StT
6
7
189
1
Oapitolial VII. Metode
iradierca flulnerjec in aprecierca efeelelor Iern.tjce la Capitolul 1
149
T.1. I)iseietiza,rta ccutiei Iilliai‘e Laserul
7.2. Metode nunlerice peutru ecuatia ne]injar a eJdurjj 115519 [ Mecanism i proprietäti
Anexa 1. Preeautjj in manevrar facicu1u1uj laser
165
Ane,tq II. Coiivcria intrc (liferitc it{9Lw (1( Unittj 171
Anexa III. Tabelcii funcia erorikn, rivlte1e i inregr<ie1e sale 181 Laserii sint surse dc radiatii eleetrornagnetice care emit in domeniul
BibliografJe optic al spectrului (ultraviolet, vizibil, infrarou). Emisia• lor este total
diferit dc cea a surselor ciasice dc radiatii eleetromagnetice, prezentind
183
propriet4i specifice, eapabile dc cele mai diverse aplicaii iii tlin i
Äbstpaet
. . te1rnic.
187 Fundarnentarea teoretic a efectului laser a fost fäcut inc din
PeinoMe 1917 dc Albert Einstein prin senmalarea existentei fenomenului de emisie
sthnu1ati a radiatiei, aläturi de absorhtie i emisia spontan• in procesele
radiative. Acest fenomen, neglijabil in sursele elasice de radiatie, devine
predoininant in sursele laser.
Laserul ca atare, precum i aplicaiile sale, constituie un capitol
relatn iecent al fizicii, aprut si dezvoltat abia in ultimele trei decenn,
prin materializarea dc ctre T. H. Maiman i A. Ja.vaii i colaboratorii
a ipotezei elaborate dc A. L. Schawlow i 0. H. Townes euprivire la posi
bilitatea ftnctioulirii unui maser in domeniul optic al spectrului electro
magnetic. La rindul su, realizarea maserului ( a a.mplifierii i generrii
mieroundelorprillemisie stimulat)este datoritlucrrilorlui 0. II. Townes
i colaboratorii i N. 0. Basov i A. M. Prohorov.
Proprietile remarcabile ale radiaiiei laser, sub multe aspecte
diferite dc cele ale radiaiei surselor ciasice (flacr, bec cu incandescent,
descrcare electricä in gaze, corp uegru etc.) au condus la dezvoltarea
a uurneroase aplicatii dintre care, in lucrarea dc fata, vom aualiza numai
pe acelea cc se bazeaz. pe utilizarea efectului termic, cum sint incizirea•,
topirea, vaporizarea, gäurirea, nitrurarea, tratamentele termice i alte
prelucriiri rieconventionale.
Pentru inelegerea acestora este necesarä o prezentare succint
a efectului laser, a proprietilor radiatiei laser, a difeiitelor tipuri dc
lasen realizai pentru aceast eategorie dc aplieatii.
1.1. Efeetul laser
Seopul aeestui paragraf este dc a face o sumar trecere in revist
a rnecanismului laser, doar in msura in care este necesar inelegerea
unr proprieti ale fasciculului cc vor fi utilizate in continuare, pentru
aputea aprecia, inultiminstanä, tipul dc laser care trebuie a.lesinfunctie
(ic aplieatia doritii. Pentru o prezentare mai detaliati a functionrli lase
rilor recoJnan(hiI11 eititorilor literatura dc specialitate indicat la sfirØtul
cirtiL
mi
Binecunoseuta lege a Beer spune eä daeä int.r-un mediu oarecare,
dc lungirne L. se trinfite o radiaie dc intensitate initiala 10, intensitatea
la ieire va fi datii dc relatia
1 cxp (k,L), (1)
= •
9
unde k, este eoeficientuldc al)orbje a cdrui valoare depinde atit de inate pentru realizarca inversiei dc popu1aie. Mediul aetiv se afld inchj intre
riain1 coneret folosit cit i dc lunginiea (le undä fo1osit ?. In cazurile oghnzile parahle O i 02 al äroi coefieient dc rLt1(1e 1? este dcfiii t prm
ohisnuite k, arc o valoaie uegativä, eeea cc inseaiunii c la treeerea prin
rEmeielnadsiituaein(r1a)adrsiäaatifiaicesp,eraidivneitpiirncinaicnoitpeaiiliilns,iptaklit,f.iepcaoiraetedacacrviaedsaieaiiaebivsaloalaortrbrieeep.eorIzeniati1vp9er1in7asmtAfeeldlbiecnr.t (4)
Laserul este tocmai fructifiearea acestei posibiiltäi. unde I( Jr reprezintd radiali—a inc.identd, respeetiv reflectatd inapoi in
temeloArcucmu ktr?e>buj0e. fScdupteresaunpuumileitren pcräecriazdiriiaiaaupeuralucnagriamcteearisdtieciulonrdisiis? omgcldiniizii.h 1re)azeuiiltilnocdtdmtraiicsunhi1s?ia virieffile—ctivitatea, respeetiv A — absorbtia
ja natere ca urmare a unei tranzitii iuti‘e doui nivele dc energie E i B
onE> E1. Ooeficieitu1dc absorbtie arc ovaloare eare depinde dc numrul 1 R—A. (5)
de electroni. care se afl in medie pe aceste nivele (aa-iiuinite1e „popu1aii
n2 i ale nivelelor E2 i B), dc densitatea dc radial,ie p(?) (Jm3), dc
timpul de viatii - al niveIii1uiE; implicit mai depinde dc Iungimea dc
undä Ä si dc ponderile nivelelor g i g1. Pdntru diseuia care urmeazä ne
vom multumi ins sä aproximiian absorbtia prin reiatia
—
const1 (X) (n2 n1) eonst (2) o;rIZ02
—
Fig. 1.1. Mediul activ A amp1ifici radiatia I astfei
Sensul expreiei (2) este urmdtorul: termenul al doilea tine searna de Incit radialia arnp1i1icati I(L)1? ref1ectat de oglin
emisia spontan i mi pate fi deeit negativ, in timp ce primul termeil este da partiaiä 0, i mi fie mai micä decit 10.
datorat; absotbtiei (pentrii n1>n,) sau emisiei stimulate (pentra n2 >n).
Evident condilia k> 0 iinpnne ca primul termen din (2) s fie pozitiv Pentru a itnbuniitdti performanIMle oglinzilor so folosesc depuneri di
i mai marc decit ccl de-al doilea. tndeplinirea acestor condiii nu este eleetrice, inloc de depunerile metalice, care au o absorb4ie mult mai rnicd,
uor (le realizat. Sil ne arnintim c (n n1) reprezint, o diferentä a A 0. Sä considerdm acum cd, la un moment dat, in vecinätatea oglinzii
popula(iioi uuUi nivel superior i altul infer—ior. Se tie e pentru sistemele 0 (fig. 1) pornete o nazd cu intensitatea 10 care vii ajunge in dreptul
aflate in eehilibru termodinamic popu1aiiIe sint repartizate dup relatia oglinzii 02 cu iutensitatea
1(L) 1 ep (kL), (6)
( 1l‘2—E1‘
fl9 exp 1— 1‘ (3)
kT 1 umle am scris dc fapt rehatia (1) pentru un mediu dc lungime L eare am
—
plificd. Pentru simplificare cousiderdxn cd ambele oglinzi au acelai co
Uli(TC k ete colLstanta lui Bollzinann iar T temperatura mediului am eficient dc reflexie R i absorbtua mild, .A.=0. Din (4) rezultä cd in mediu
biant. Estimativ, la teml)eratura camerei, pentru o diferen de energie este reflectatd inapoi intensitatea III, hr complernentara I(1—R) va fi
cc corespunde lranziLiilor optice. n2 este cam a zeeea mia parte din n1. „raduatia laser“ care pdrdsete mediul. Vom spune cd acest dispozitiv
Se iiieJege aadar cd sistemele laser lucreaz intr-un regim foarte mdc se afld in pnagul emisiei laser dacd citigu1 in intensitate pe pareursui. L
prtat dc echulibrul termodinamic, regim in care trebuie s se realizeze este cel puin egal cii naduaua care pdrdsete mediul trecind prin oglindä.
o inversie dc populatie 2 > n1, fapt care cere, in u1tim instan, ca in Sistemul inceteazä dc ii mai emite raduatie laser in momentul in care
respeetivul mediu sd se pompeze energie. A doua eondiie este ca primul pierderea prin tnansmisie depdete amplificarea. Altfel spus, ernisia aa‘e
terinen, devenit pozitiv prin realizarea inversiei, sit fie mai marc decit loc dacä
-)
termenul al doilea (consto care reprezint, din punct dc vedere fizic, J—10>I(1—R) (7)
memiisia spOiitaiid (10 C nivelul E. Aceasta se realizeazd aetionind asupra unde egalitatea descrie condi1ia dc prag. Din (6) i (7) rezultä imeduat
p())‚ aiIic fäcind ca (leIIsitatea cimpului (ie radiatie in care arc loc.
cmisia laser sit creascd. 1ii aeest fcl priinul tenueii, care caraeterizeazd 1— R. (8)
emisia stiniulatii, (levine precumpdnitor. Oreterea lui p(?) se realizeazd
practic fdcind ca sistemul sd emitd intr-o cavitate rezonantd care poate Peiitru u-ia-joritatea trnnziii1or laser (uuoscute, k;L 1 i dcci
retine in iuteriorul ei o marc densitate dc radiatic. Se stiinuleazd astfel ‘p (h,L) 1 1,L Eit ms i cauri in &are h,I poat. ajunge
crearea unei adevdrate „ava1ane“ dc fotoni ca urmare a ernisiei lor iutr-o supnaunitar. situatie iii care haserul fuiietioneazä chiar cii II 0 (adicä
cavitate rezonaiitd.
fdnii oglinzi), regim cunoseut sub numele dc superraduantd. Laserul cii
Figura 1 redi schematic eonstrucia uuui laser. Sdgeata P sugcreazd azot sau linua iiifraroic 3,39 im ii hase.rului cii Re-Ne sint PX0!Uple tipice
faptul cd iii medml laser trebuie pompatd o anumitd energie necesar dc linii supernaduante.
10
11
Din (8) i neglijin.d acuin e•‘‘a NI)o1LaII, se obl,ine Pouipajul opuic se realizeaz aezInd paralel cu laserul un tub fiah intr-o
cavitate reflectoare dc tip eliptic, iutr-unul diii focare fund dipus fIah-uI,
1 R
?12 — n1 > (n —— ‘ii)ir. — tOlii — (9) iualruiin(fcige.lal4a)l.tAbacreaalsatercualvuiitastoelidrefclaercetoaabresoaarrbccrooluplardtce (a1111sterninegrgeialufrlnaisuha
flash-uluipe bara laser, de a asigura impornpaj cii mai eficient i mi trebuie
pinovaetresRifaieIdcaeo4bipaoor(pi9tu)lfaint3eieluadnraget—ipiniidiceim.tne.efd0eieuatlu1al0c:1iii.av3e.t(Ilci1cWpmpri;itnte(d sr—äeflUae‘)ppcriraagi,oidgaelrieniztpiridasgaaueul ereofulefuctuacnltaetidCelpiisceavpietasteeactiurenziloendaentl.a aexltarseerrnuilutii1efobrainreait.i diii straturile
densitatea radiithi. Figura 2 rezuini calii.iJiv cele expue i caut s
Nd
3,: 0 0 00 000 0000V Fig. 1•4. Un lisser cu Neodiin eu meinte Ott
i00 3 0 0 0 0 reflectantt desfäcutt. Lumina flash-ului
produce inversia depopuiatie a nivelelor
/ cle energie nie ionilordc Oglinda
-
1 02 este paria1 transparentt.
jd° 0 00 0 oGl
0 00 0 10 0‘ [4
b‘l° 0 00 0,0 0 =
1‘L. 1.. .parlia 1I5tLUI[Ij laser
—‚ G0—Q‘O o0 0 0 ——u ‘ e: tiecii(IlHh>tauIttO‘tt, 111ii1t10pjoIII1)I1‘Ip(aitHtjr‘dItC,tLPI‘OiHstemueoiapfleliueH5i icnii tliieinl1ipui1,inirieeoazncutlusirannudacne0lcrcoaundbdiiadoiexeriad1tdatceoraclasertbarontniiro.iniEiiairlxe.ijAtliti1i0fe([liais1dcCciiclcaaasrefeunnfdusinncetoinolsantsaeenrautzel
— 0 0 0 0 —_‚ t, suIi ulkt, u•tsi tlii rezonan,‘ emkia in regiiii pulsat ; durata pulsurilor depinde atit (1C Iifl1 tira eit i dc modul
w‘ ‚ — tiiiitiItl, u0%rmL:_i 1lt‘tiiit/Iitlii•ilii i‘itliIileiI.tt Cl cliii dtlce flaunccittieovnaarpeicaolselacsueiriduelu(i1Oi—s1e2sp) olaatme iilnistieiciduendwe. nDilinlaargcedaotmaecnaiutegdüeiiteimfapc,
0
pare liisenii cii neodim sau laserii cii bioxid dc carbon fiuiwiemnd in
dL0ZLLJZ. regiiii TEA (cxciiarc transversal, fa presiulw iiimofcrie). In capitolul
al Il-lea vom descrie ceva mai pe larg tipurile dc laeri ccl mai des Folositi
ii aplicatii legate dc efecte termice.
210—. °
21 o.t‘_-•.
0 C-
ei .2... 0 0 0 1 Cavilatea rezonantä si modurile dc osei1aie
..
rdeiidlceiIns-i.ctgre(sctcilvp1e1s1einn(caellennci(ihruelnsiiidccafwpnwLiiiicuidiacre)(iliteitmc.ui(IdILasii•(1Id. liiiiIhenapc e. umtnc—ii ca ine‘doiuiildaiciativdcsiffuineeutinotrnoadruesainltarseerduoluui noegelieiiszitiiip,udteunipliccirremfleacmtanvtez,upte,
efeele]c termice. sunt ga7oc (i.ni(iiiiml. de c‘clnpiu. im anlesle (Ed 1)j— care le puteun considera fie ca a1ctuind un .‚etalon •Fabr-Perot“ (utili
OXuii dt‘ carl,o‘i, aZot i ((cliii) 4au .nl.kic (dc icguui wurne([iiu solld aiuorf zincl 0 tenunillologic luatit din optie), fie 0 cavitatc NZ0flauiI (utiliind
sau (liStälill iii CU‘O xiiul (lisIWtsali ioiii ile iieodiin). tii coca cc lJrivete terminologia (liii electroiiicä), al cinui rol esential este dc a melitune in
introducerea eneri‘iei initiale in mcdiii (a eiiei‘giei dc ‚.ponupaj‘‘, eure mcii ciinp radiativ untetis care sä favorizeze tocrnai emisia stiniulata. Existeuta
ne illver4ia (le popuhnie) se rea1izcazi la laserii gazoi printr—o desciircare rezoiiatorului arc insii. 1 o repercusiune suplimeniar asupra disliibutiei
in az (fig 3) dc tip luiuiiuiscent contiiiiii san in arc iii regirn pultau dnergiel iii faciculul laser 1riii aparitia aa-nuirnitelor inoduri tranwersale.
—
(sau mai rar eiuiar cvasieouliruuu) i pn pouapaj optic in haserii solizi. vmd in vedere cii exite1Ita modurilor so repercuteazil aupra foealiziirii,
asupra diametrului spotuhui, vorn face mdc precizäri.
Pina acuin am considerat cii unda cc se reflectii intre celo douii
tk: umestec
oglinzi este o undii plarii, a ciei amplitudine i faz r.mun coitstaute
atuiwi md unda se reflect suceesiv dc C 0 ogliiidii pe ceaia1t. Aceastii
aP‘°imaiie este iiisii valabilil atita timp cit putem con—ddera diainetrele
ii ale ogliizi1or coinparabilc ca nuitrinic cu distaiUa L dintre dc. iii aeeastii
situatie este valabilii opiica geomctrie. In cazul couitrar (diarnetrul
oglinzii wie iii rapoit cli diatailta) intervine fenornenul dc (Iifractic Oai.d—
1 - 1enistic opiich ondulatorii, eaz in care iie itiuiirn (Id fapt. Cantitaliv di
fractia eite legalii ([e iuunuiirul mi Fresnel t, definit pnin
iFflit.1.ala.l:.0.1Ii‘1 l(aehs-hitLll.iiiiiniielstleecCLlZaizioisjal‚tC—UN1eCciuepl(1aetcu— = _d2.. (10
piLl1 dc istt1i[Ja (10 Uiflll0CC 111 atuestecul dc azc.
12 13
Se eonsideri e pentru X> 50, aproximaia optieii geometrice
riimine va1abil, in timp ce peutru t < 50, trebuie s se tin. seama de unde i cci optiu Spre deosebue dc rezonatoiul din microunde, care este
difraetie. Se poatevedea imediat eä pentru laserii de cimensiuni obinuite, o cavitate inchisa, pentru rezonatorul optic existenta pereilor laterali
&t are valori cuprinse intre 1 i 10. Studiul cavittii rezonante mmd in nu conteaza. Dc asemenea, rezonatorul din microunde are dimensiuni
consideraie i difracia a fost intreprins pentra prima dat. de Fox i Id. comparabile cu lungimea dc unda la care este utillzat, in timp cc rezona
Rationamentul lor este in esent urmtorul: se considera 0 unda plana torul optic arc o lungime dc 10 — 10 ori mai marc decit ?.
pe una din oglinzi, se caleuleaza apoi dupa metodele opticii ondulatoril Figura 6 ilustreazä aspectul unor moduri cc pot fi vizualizate prin
valorile amplitudinii i fazei uncIei aa cum ajunge pe oglinda opusa. simpla proiectare a unui laser pe un eeran aflat in apropierea uneia din.
Cunoseind aceasta noua distributie se caiculeaza din nou amplitudinea oglinzi. Treeerea dc la un modla altul se poateface printr-o uoaravariaie
a poziiei oglinzilor.
02
cl / • - o
/
/
TEM- TEM-: TEM3c TE EM2
Fig. 1.6. Distribuia intensitii las-
cicululul laser in apropierea oglinzilor
ilustrind etteva din modurile TEM.
In figura T sint sintetizate diferitele tipuri dc rezonatori utiliza
in mod curent: rezonatori plan-paralei (fig. 7a); rezonatori compui
UI, Un.._1 din oglinzi concave dintre care rezonatoril cci mai utilizai sint cci con
focali alcatuii din douä oglinzi circulare sferice dc aceeai raza dc curbura,
1
) distanta dintre dc fund egala cu raza lor (fig. 7b) sau montajul concentric
/ (fig. 7c), unde distanta intre oglinzi este egala eu diametrul de curbura.
TJn alt montaj des folosit este ccl emisferic (fig. 7d) format dintr-o oglinda
7
TEM
>fUl
2o R,=R2c
e)
Fig. 1J. Formarea mocinrilor In cavitatea rezonanti.
a) Considerni cä dc pe oglinda planä O p1eac unda
plan 1 care ajunge pe oglinda °a puin difractati. R,R2d
b) J)upi prima reflexie pe oglinda 02 aceast undä va
ajunge inapoi pe oglinda 01 si mai difractat, diferitil
fai cle unda plan iniia1. c) Procesul de modificare a
formei prin reflexii continuü pln se ajunge la starea sta
tionarü. d)In careunda U,i U,±1 ajung saib aceeai St.
iorm. e) Intensitatea luminoas specific acestui mod
vzuhi pe na plan paralel ca oglinzile (aa-zisnl mod ci _
TEM,).
i faza pe oglinda initiala. Se constatt ct, dupa un numar mare de astfel
de pendulari, se obtin anumite eonfiguraii ale amplitudinii (i fazei) R,=dR2o
care rimin neschimbate in proeesul reflexiilor, aa curn se vede din figura - C2U
5. Astfel rezulta eä amplitudinca peate avea, in afara unui maxizn situat
pe axa oglinzilor i alte maxime situate in anumite punete bine precizate
dc pe suprafata oglinzior; acestea sint modurile denurnite TEM1 unde
iiidicii 1 i j (ieteI1uiI11 nnivoc 1flO(IUI iii funetie de distana. dintre oglinzi, R2- R,2d
supraf ogliuzilor. nhici imghiuii de inelil1are (lifltre orlinzi, dc rize1e
lot d eurburi. Oi)servini ct sitemu1 dc notare TEM, scainan cu ccl Fig. 1.7. Diferite tipuri de rezonatori
folosit in inicrouride. in rest nii cxistil analogie iiitre rezonatorii din miero a) plan paralel; b) confocal; c) concentric; d)
emisferic; e)astabil; c) centrelerazelordc curbur.
.15
pian i una eoiicav sitiiat la dublul razei de curburi. In fine. figura 7e und€
reprezinti un rnoutaj mimit astabil in care 0 oglind este coiicava i cea
1/ r&
laltä con.vex, rnontaj mai de utilizat la laserii cii diainetru rnare si Cli 1/ (13)
emisic in infrarou.
In figura 8 e arati piercierile prun difractie in fuuclie de nurnInnl
lui Fresnel g‘ pentrii rezonatorul circular plan-paralel i ccl circular con r0 = L fund distanta dintre oglinzi pentnu un niontaj confocal, a0 repre
focal. Observiiu ci modul PEM00 are pierderi prin difract-ie mult mai micj zintä raza minimä a fascicuiului laser, dc unde i denumirea dc „talia
fasiculului“ (fig. 10). Rezultä imediat cä pc suprafaa oglinzii raza modului
in comparaie cii celelalte moduri, din care prineipal va fi:
Dfrccte cauz ei este primul mod care apare; dac
Curc inversia de populaie este reaiizat astfel ca « (i (-i 1/ r0?
a a (14)
amplitudinea per tranzitie s fie marc, pot s O2) O2) — 0V —
apar concomitent i celelalte moduri. Däm
aeeste detalii deoarece proprietätile de focali
zare, deci de concentrare a puterii in vederea
incälzirii depind, dupä cum vom vedea, i de rd0dr1TLc!
struetura modalä a laserului. Tot din figura 8
observäm cä pierderile prin difractie sint mult
mai mici pentnu rezonatorul confocal, pentru
eelelalte tipuri dc rezonatori pierderile fund
situate intre ccl plan i ccl confocal. Un alt
avantaj al montajelor cu oglinzi sferice este
i acela cä reglajul lor este mut mai comod
in comparatie cu reglajul paralelismului oglun 0
zilor plane. Dezavantajul montajului confocal Fig. 1.9. Pentru modul TEM intensitatea lj,. 1.10. lirimile enre interiii n
1 10 0O este acela cä faseicuhul arc o divergentä mai fasciculului este distribuit gaussian. definirca unui 1ascicul gaussian.
marc i rdci randamentul lor mi este ccl mai
Fig. 1.8. Pierderile de putere bun, in concluzie rämine la latitudinea con Accast relatie este valabilä in ipoteza cä diametrul laserului este
n proceute pentru rezonato
nil plaii-parakl i cel circu structonului sä aleagä cavitatea rezonantä mai marc decit ao (L/2), eeea cc se asigurä printr-o proiectare corectä ä
lar-confocal. Pentru compa optimä. Mai rämine sä preeizäm care este laserului (in caz contrar pierdcrile prin difraetie sint man).
rpaetnietrus-ao utrnecdutpIianipi(edrdiferraeca distributia radialä a intcnsitätli fasciculuhui Figura 10 aratä i definitia, unghinhui 0
Ue Fraunliofer). a modului TEM00, adicä cum variazä inten
sitatea intr-un plan paralel ciioglinda dc ieirc. (1)
Peiitru regimul TEM putem considera ca regulä generalä eä dcpen
denta intensitätii 1 a fascieulului in raport cu raza r inäsuratä dc la axul i constatäin eä unghiul 0 da divcigeua fasciculului 1:i ditai4e z man in
faseicuhului spre exterior este dc tipul
coxnparaie cu dimensuuuiiie 1a.eruhui.
1 r2 Aiei 1rebuie sä facern o precizare: liuia punetatä din figura 10 nu
1(r) =I0exp( 1 (11) reprezirita traiectoria razei dc luminä, care evident se propag in linie
—
dreaptä. Linia punctatä deiniiteazä doar distanla pin la care este
cupriiisä majoritatea energiei transportatä dc faseicul, sä zicem dc 99%
0 astfei dc dependenä se numcte de tip „gaussian“ i este de fapt -
din energia totalä. Intr-adevär, dacä lum o razä a fascieulului r(z)
valabiIä pentru regiunea ccntralä a faseicuhului; a(z) este valoarea razei =
1,5 a(‘) rezultä cä in afara acestei raze va fi transportat un rest dc energie
p«e(n)tndueocaarreeccf,asdeiincucluaulzsae dmiviceorgreeanzeäi,dac(ze) =cr2e,t7c3 c.i.i.doisrita(nfitga. 9)d;csl-aa lSaesielsr cam dc 1%, iar pcntru ) 2‘«o) Sah 10/.
(mai exact dc la jumtatea ditantei dintre oglln7l) Spre deosebire de rnodurile traiisvcrale dc care a fot vorba mal
Avind in vederc inseinntatea eomportärii fasciculuhui gaussian iiiainte i care int definite prin nuiniru1 dc nioduri adic dc reguuni dc
pentru inelegerea modului in care sc poate obtine controlul atit al dcni intensitate maximi iflfr-un plan perpeildicular pe axa laseruhui, intr-o
tätilor dc energie cit i al dimensiunior spotului focal vom trata ceva mai cavitate rezonautä so produc i moduri longitudinale care int desemnate
indeaproape caracteristiciie faseiculuuui guassian. prin nuinruI dc moduri iii lungul a.xei lasenului sau a cavit.tii rezonatite.
Se aratä Cä Aitfei pus. conclitia dc foninare a mci i—in-de tationare estP
V (-)
+ ‘ (12) i (16)
=
2—c. 325 23