TEA laser
En TEA-laser är en gaslaser som drivs av en elektrisk urladdning med hög spänning i en gasblandning i allmänhet vid eller över atmosfärstryck . De vanligaste typerna är koldioxidlasrar och excimerlasrar , båda används flitigt inom industri och forskning; mindre vanliga är kvävelasrar . Förkortningen "TEA" står för Transversely Excited Atmospheric.
Historia
Uppfinning
Koldioxid (CO 2 ) TEA-lasern uppfanns i slutet av 1960-talet av Jacques Beaulieu som arbetar på Defense Research and Development Canada i Valcartier i Quebec , Kanada . Utvecklingen hölls hemlig fram till 1970, då korta detaljer publicerades.
1963 visade C. Kumar N. Patel , som arbetade på Bell Telephone Laboratories , först lasereffekt vid 10,6 µm från en lågtrycks RF -exciterad CO 2 -gasurladdning . Med tillsats av kväve och helium och med en elektrisk likströmsurladdning uppnåddes CW- effekter på cirka 100 W. Genom att pulsera urladdningen med högre spänningar, eller Q-switch med en roterande spegel, kunde pulseffekter på några kilowatt erhållas som en praktisk gräns.
Högre toppeffekter kunde endast uppnås genom att öka densiteten hos exciterade CO 2 -molekyler. Kapaciteten för lagrad energi per volymenhet gas ökar linjärt med densiteten och därmed gastrycket, men spänningen som behövs för att uppnå gasnedbrytning och koppla in energi till de övre lasernivåerna ökar i samma takt. Den praktiska lösningen för att undvika mycket höga spänningar var att pulsera spänningen tvärs den optiska axeln (snarare än longitudinellt som var fallet för lågtryckslasrar), vilket begränsar genomslagsavståndet till några centimeter. Detta möjliggjorde användningen av hanterbara spänningar på några tiotals kV. Problemet var hur man initierade och stabiliserar en glödurladdning vid dessa mycket högre gastryck, utan att urladdningen degenererade till en ljusbåge med hög ström, och hur man uppnår detta över en användbar volym gas.
CO 2 TEA laser
2 -laser med atmosfärstryck . Hans lösning på problemet med bågbildning var att ha en ledande stång vänd mot en linjär rad av stift med ett avstånd på några centimeter. Stiften var individuellt laddade med motstånd som tvingade urladdningen från varje stift till en lågströmsborste eller glödurladdning som fläktade ut mot stången. Laserkaviteten sonderade 100-200 av dessa urladdningar i serie och gav laserförstärkningen. En snabb urladdningskondensator växlade snabbt över laserelektroderna med hjälp av ett gnistgap eller tyratron gav högspänningspulserna.
Dessa första "Pin-Bar" TEA-lasrar, som arbetar med cirka en puls per sekund, var enkla och billiga att konstruera. Genom att arbeta vid atmosfärstryck kan komplexa vakuum- och gashanteringssystem undvikas. De skulle kunna producera MW- toppeffekter på några 100 ns varaktighet som kan bryta ner luft om de sätts i fokus med en kort brännviddslins. Nackdelarna var dålig förstärkningssymmetri, förlust i motstånden och storlek.
Pearson och Lamberton
Den första riktiga TEA-lasern (icke pin-bar) realiserades av Pearson och Lamberton som arbetar vid UK MOD Services Electronic Research Laboratory i Baldock. De använde ett par Rogowski-profilerade elektroder åtskilda med en eller två centimeter. Deras dubbelurladdade [ förtydligande behövs ] design kopplade en del av urladdningsenergin till en tunn tråd som löpte parallellt med och förskjuten från ena sidan av elektroderna. Detta tjänade till att förjonisera gasen vilket resulterade i en enhetlig volymetrisk glödurladdning. Av lika stor betydelse för förjoniseringen var behovet av att urladdningen var mycket snabb. Genom att snabbt dumpa energi i gasen hade högströmsbågar ingen tid att bildas.
Pearson och Lamberton använde en streakkamera för att verifiera händelseförloppet. När spänningen byggdes över elektroderna resulterade fältemission från den tunna tråden i en arkurladdning mellan sig själv och anoden. Eftersom den efterföljande huvudurladdningen startade från katoden, föreslogs det att fotoemission var den initierande mekanismen. Därefter hade andra arbetare visat alternativa metoder för att uppnå förjonisering. Dessa inkluderade dielektriskt isolerade ledningar och elektroder, glidande gnistmatriser, elektronstrålar och stift impedansladdade med kondensatorer.
Den ursprungliga Pearson-Lamberton TEA-lasern kunde drivas med cirka en puls per sekund när den växlades med ett gnistgap som laddar ur en kondensator som är resistivt laddad från en likströmskälla. Genom att cirkulera gasen mellan elektroderna, som använde förlustfri kondensatorladdning och ersatte gnistgapet med en tyratron, uppnåddes sedan upprepningshastigheter på över tusen pulser per sekund med olika konstruktioner av TEA-laser.
Dubbelurladdningsmetod
Dubbelurladdningsmetoden som krävs för att initiera stabila högtrycksgasurladdningar kan användas både under och över atmosfärstryck , och även dessa enheter kan kallas TEA-lasrar. Kommersiella excimerlasrar som arbetar i ultraviolett ljus använder en dubbelurladdningsregim mycket lik CO 2 TEA-lasern. Med hjälp av krypton , argon eller xenonklorid eller fluoridgas buffrad med helium till 2–3 atmosfärers tryck kan excimerlasrar producera megawattpulser av ultraviolett laserljus.
Mikroskopisk urladdningsbeskrivning
I de flesta överspänningsgnistgap rör sig laviner av elektroner mot anoden. När antalet elektroner ökar Coulombs lag att även fältstyrkan ökar. Det starka fältet accelererar lavinen. En långsam stigtid för spänningen låter elektronerna driva mot anoden innan de kan generera en lavin. Elektrofila molekyler fångar elektroner innan de kan generera en lavin. Termiska effekter destabiliserar en homogen urladdningselektron och jondiffusion stabiliserar den.
Ansökningar
TEA CO 2 -lasrar används i stor utsträckning för produktmärkning. En logotyp, serienummer eller bäst-före-datering märks på en mängd olika förpackningsmaterial genom att laserljuset passerar genom en mask som innehåller informationen och fokuserar det ner till en intensitet som tar bort materialet som ska märkas. Utöver detta har TEA CO 2 -lasrar använts för ytbehandling i industriella miljöer sedan mitten av 1990-talet. Applikationer inkluderar:
- Selektiv eller fullständig färgborttagning, känd som selektiv laserbeläggningsborttagning (SLCR) inom området för underhåll eller reparation av flygplan; denna selektiva strippningsprocess godkändes 2001 som den första laserstrippningsprocessen av OEM:s och flygplansunderhållscenter.
- Aktivering eller rengöring av ytor för målning och limning.
- Avlägsnande av föroreningar eller beläggningsskikt, som förberedelse för limning eller svetsning.
- Bär gratis rengöring av formar och verktyg, t.ex. däckformar eller formar för att tillverka skinn för bilinteriördelar.
Fördelen med denna specifika laser är kombinationen av den CO 2 -specifika våglängden, huvudsakligen 10,6 µm, med den höga energinivån för de korta pulserna (~2 μs).
Se även
- Patel, CKN (1964-05-25). "Tolkning av COM 2 Optical Maser Experiment". Fysiska granskningsbrev . American Physical Society (APS). 12 (21): 588–590. doi : 10.1103/physrevlett.12.588 . ISSN 0031-9007 .
- Beaulieu, AJ (1970-06-15). "Tvärexciterade CO 2 -lasrar för atmosfäriskt tryck". Bokstäver i tillämpad fysik . AIP-publicering. 16 (12): 504–505. doi : 10.1063/1.1653083 . ISSN 0003-6951 .
- Pearson, P.; Lamberton, H. (1972). "Atmosfäriskt tryck CO2-lasrar som ger hög uteffekt per volymenhet". IEEE Journal of Quantum Electronics . Institutet för el- och elektronikingenjörer (IEEE). 8 (2): 145–149. doi : 10.1109/jqe.1972.1076905 . ISSN 0018-9197 .
- Levatter, Jeffrey I.; Lin, Shao-Chi (1980). "Nödvändiga förutsättningar för homogen bildning av pulserande lavinutsläpp vid höga gastryck". Journal of Applied Physics . AIP-publicering. 51 (1): 210–222. doi : 10.1063/1.327412 . ISSN 0021-8979 .
externa länkar
- Skapa din egen Medium-Power TEA Laser med komponenter som är lätta att hitta
- Mini TEA CO2-laserhuvud som visar konstruktionsdetaljer