Газовые лазеры: принцип работы и применение в промышленности

[Liza]

Газовые лазеры — это устройства, где активная среда представлена газом или его смесью. Они генерируют мощное направленное излучение для резки, сварки и других задач. В этой статье разберём, как они устроены, принципы работы и где применяются на практике.

Знание этих лазеров поможет выбрать подходящее оборудование для производства. Вы поймёте, почему они выигрывают у твердотельных аналогов в определённых сценариях. Это решит проблемы с выбором инструмента для металлообработки или научных экспериментов.

Принцип работы газового лазера

Газовый лазер работает на основе электрического разряда в газовой среде. Активная среда — это газ вроде гелия, неона, CO2 или их смеси под низким давлением. Высоковольтный импульс ионизирует молекулы, электроны сталкиваются с атомами, переводя их в возбуждённое состояние. Это вызывает излучение фотонов, которые усиливаются в плазме газа.

Оптический резонатор из двух зеркал направляет световые волны. Одно зеркало полупрозрачное, оно выпускает лазерный луч. Благодаря высокой оптической однородности газа излучение получается узконаправленным и монохроматическим. Такие лазеры могут работать в непрерывном режиме, что удобно для длительных процессов.

Вот ключевые этапы принципа работы:

• Насыщение среды: Электрический разряд создаёт инверсию населённостей — больше атомов на верхнем энергетическом уровне.
• Стимулированная эмиссия: Фотоны вызывают цепную реакцию, усиливая излучение.
• Формирование луча: Резонатор обеспечивает направленность и когерентность.

Важный нюанс: Время жизни возбуждённых состояний на верхнем уровне должно превышать нижний для устойчивой работы.

Этап	Описание	Пример газа
Накачка	Электрический разряд	He-Ne, CO2
Эмиссия	Столкновения электронов	Азот (N2)
Усиление	Прохождение через плазму	Смеси газов

Основные типы газовых лазеров

Среди газовых лазеров выделяют гелий-неоновые (He-Ne), углекислотные (CO2) и азотные. He-Ne лазеры генерируют красный свет на длине волны 632,8 нм с мощностью до нескольких милливатт. Они компактны, длина ячейки около 20 см, подходят для юстировки и интерферометрии.

CO2-лазеры — самые универсальные, работают в инфракрасном диапазоне. Их луч имеет малую расходимость, что позволяет резать металл на расстоянии без потери качества. Азотные лазеры импульсные, трехуровневые, используют чистый N2 или воздух, удобны в герметичных трубках без вакуумных насосов.

Эксимерные лазеры генерируют ультрафиолет (193-308 нм) для микрочипов и коррекции зрения. Они используют соединения инертных газов и работают короткими импульсами. Каждый тип имеет узкий спектр, который трудно получить в других лазерах.

Типы газовых лазеров и их характеристики:

• He-Ne: Непрерывный режим, видимый свет, для оптики.
• CO2: Высокая мощность, ИК-излучение, для резки.
• Азотный: Импульсный, УФ-диапазон, лабораторные тесты.
• Эксимерный: УФ-спектр, прецизионная обработка.

Тип	Длина волны	Режим	Преимущества
He-Ne	632,8 нм	Непрерывный	Компактность
CO2	ИК	Непрерывный	Мощность, дальность
Азотный	УФ	Импульсный	Простота
Эксимерный	193-308 нм	Импульсный	Точность

Применение газовых лазеров в промышленности

Газовые лазеры широко используют в металлообработке для резки и сварки. CO2-лазеры режут сталь, алюминий на больших расстояниях благодаря низкой расходимости. В энергетике и нефтегазе они маркируют оборудование и обрабатывают трубы.

В медицине He-Ne лазеры для юстировки, эксимерные — для LASIK. Научные применения включают интерферометры и оптические стандарты частоты. В химпроме и материаловедении — для спектроскопии и нанесения покрытий. Высокая мощность и специфические длины волн делают их незаменимыми.

Примеры применения:

• Резка металла (CO2).
• Гравировка и маркировка.
• Микрочипы (эксимерные).
• Медицинская коррекция зрения.

Нюанс: Газовые лазеры эффективнее твердотельных в ИК и УФ для мощных задач.

Перспективы развития газовых лазеров

Газовые лазеры продолжают эволюционировать с новыми методами возбуждения и повышенным давлением газа. Это повышает мощность и эффективность. Остались вопросы по интеграции с ЧПУ-системами или сравнению с диодными лазерами.

В будущем ждём гибриды для ещё большего спектра применений. Стоит подумать о безопасности и обслуживании в производственных условиях. Такие лазеры останутся ключевыми в точной обработке.