Оборудование для лазерной обработки материалов

Вначале рассмотрим принцип действия лазера (рис. 3.1). При нахождении системы (твердого тела или газа) в состоянии теплового равновесия (рис. 3.1, а) ее частицы (атомы, молекулы, ионы) располагаются в основном на нижних энергетических уровнях 1, 2 и 3. Если каким-либо способом (например, бомбардировкой электронами) эту систему привести в состояние возбуждения — накачки, часть частиц с нижних энергетических уровней перейдет на верхние) и i (рис. 3.1, б), т.е. населенность низких энергетических уровней уменьшится, а верхних увеличится.

Распределение частиц, при котором населенность верхнего уровня больше населенности нижнего, в квантовой механике называют инверсным, или населенностью, образовавшейся в результате перемещения частиц, изменения их обычного порядка. В таком состоянии система неустойчива, поэтому возможны переходы частиц с верхнего уровня на соседний нижний, сопровождающиеся выделением энергии излучения hv (рис. 3.1, в), количественно выражаемой квантами света (фотонами). Возбужденная система не поглощает, а усиливает излучение, и вынужденное испускание света (имея в виду, что свет — это электромагнитные волны) при этом превышает поглощение энергии при переходах частиц с уровня j на уровень i.

Для практического использования необходимо значительно увеличить количество выделяемых системой квантов света — усилить энергию светового потока. В качестве усилителя используется лазер (рис. 3.2), имеющий оптическое возбуждение (накачку). Возбуждение может быть также электрическим и химическим. Лазер состоит из излучателя Ц двух газоразрядных импульсных ламп 1 и двух зеркал 2 и 4.

Предположим, что зеркало 2 имеет коэффициент отражения 100%, зеркало 4 — 99% и усиление энергии светового потока за один проход излучателя равно 10. Тогда после прохождения сквозь излучатель одного светового кванта к зеркалу 2 подойдет 10 квантов, а отразившись от него и пройдя его снова, к зеркалу 4 вернется уже 100 квантов. От зеркала 4 отразится 99 квантов, а один выйдет в виде оптического (светового) пучка. После завершения еще одного цикла в световом потоке будет 9 900 квантов, из которых 99 выйдут за пределы лазера, а 9 801 продолжит следующий цикл, который увеличит их количество еще в 100 раз.