TEA laser - TEA laser
En TEA-laser er en gasslaser som drives av en elektrisk høyspenning i en gassblanding generelt ved eller over atmosfæretrykket . De vanligste typene er karbondioksidlasere og eksimerlasere , begge brukes mye i industri og forskning, mindre vanlige er nitrogenlasere . Forkortelsen "TEA" står for Transversely Excited Atmospheric.
innhold
Historie
Oppfinnelse
Karbondioksid (CO 2 ) TEA-laser ble oppfunnet på slutten av 1960-tallet av Dr. Jacques Beaulieu som arbeidet ved Forsvarsforskningsinstituttet, Valcartier, i Quebec , Canada . Utviklingen ble holdt hemmelig til året 1970 da korte detaljer ble publisert.
CKN Patel , som jobbet ved Bell Phone Laboratories i 1963, demonstrerte først laserutgang på 10,6 um fra et lavtrykks RF-eksitert CO 2 -gassutslipp. Med tilsetning av nitrogen og helium og ved bruk av en DC elektrisk utladning ble CW-krefter på rundt 100 W oppnådd. Ved å pulse utladningen ved hjelp av høyere spenninger, eller Q-svitsjing ved hjelp av et roterende speil, kunne man oppnå pulsstyrker på noen kilowatt, men dette var den praktiske grensen.
Høyere toppkrafter kunne bare oppnås ved å øke tettheten av eksiterte CO 2 -molekyler. Kapasiteten for lagret energi per volum av gass øker lineært med tetthet og dermed gasstrykk, men spenningen som trengs for å oppnå gassnedbrytning og koble energi til de øvre lasernivåene øker med samme hastighet. Den praktiske løsningen med å unngå meget høye spenninger var å pulse spenningen tverr til den optiske aksen (snarere enn i lengderetning som tilfellet var for lavtrykkslasere), og begrenset nedbrytningsavstanden til noen få centimeter. Dette tillot bruk av håndterbare spenninger på noen titalls kV. Problemet var hvordan man initierer og stabiliserer et glødutslipp ved disse mye høyere gasstrykk, uten at utslippet degenererer til en lys høystrømbue, og hvordan man oppnår dette over et nyttig gassvolum.
CO 2 TEA laser
Beaulieu (i 1970) rapporterte en tverr-begeistret CO 2 -laser i atmosfæretrykket . Hans løsning på problemet med lysbue dannelse var å ha en ledende stang mot en lineær rekke pinner med en separasjon på noen få centimeter. Pinnene ble individuelt lastet med motstander som tvang utslippet fra hver pinne i en lavstrømbørste eller glødutladning som skjøt ut mot stangen. Laserhulrommet sonderte 100-200 av disse utladningene i serie som ga laserforsterkningen. En kondensator med hurtig utladning byttet raskt over laserelektrodene ved bruk av gnistgap eller tyratron ga høyspenningsimpulsene.
Disse første “Pin-Bar” TEA-laserne, som opererte med rundt en puls per sekund, var enkle og billige å konstruere. Ved å operere ved atmosfæretrykk kunne komplekse vakuum- og gasshåndteringssystemer unngås. De kan produsere MW- spenningskrefter på noen få 100 ns varighet som er i stand til å bryte ned luft hvis de bringes i fokus med en kort brennviddslinse. Ulemper var symmetri med dårlig forsterkning, spredning i motstandene og størrelse.
Pearson og Lamberton
Den første sanne TEA-laseren (ikke-pin-bar) ble realisert av Pearson og Lamberton som arbeidet ved UK MOD Services Electronic Research Laboratory på Baldock. De brukte et par Rogowski-profilerte elektroder atskilt med en eller to centimeter. Deres dobbeltutladede design koblet en del av utladningsenergien til en tynn ledning som går parallelt med og forskjøvet fra den ene siden av elektrodene. Dette tjente til å "preionise" gassen, noe som resulterte i en jevn volumetrisk glødutladning. Av like stor betydning for preionisering var behovet for utslippet veldig raskt. Ved å dumpe energi raskt i gassen hadde høystrømbuer ingen tid til å dannes.
Pearson og Lamberton brukte et strek-kamera for å bekrefte hendelsesforløpet. Da spenningen ble reist over elektrodene, resulterte feltutslipp fra den tynne ledningen i et arkutladning mellom seg selv og anoden. Siden den påfølgende hovedutladningen startet fra katoden, ble det antydet at fotoemisjon var den innledende mekanismen. Deretter hadde andre arbeidere demonstrert alternative metoder for å oppnå preionisering. Disse inkluderer dielektrisk isolerte ledninger og elektroder, glidende gnistopplegg, elektronstråler og pinner impedansbelastet med kondensatorer.
Den originale Pearson-Lamberton TEA-laseren kan betjenes med rundt en puls per sekund når den byttes med et gnistgap som tømmer en kondensator som er motstandsmessig ladet fra en likestrømforsyning. Ved å sirkulere gassen mellom elektrodene, som brukte tapsfri kondensatorladning og erstattet gnistgapet med en tyratron, ble deretter repetisjonshastigheter på over tusen pulser per sekund oppnådd med forskjellige design av TEA-laser.
Dobbelt-utladningsmetode
Den doble utladningsmetoden som kreves for å sette i gang stabile gasstrykk med høyt trykk, kan brukes både under og over atmosfæretrykk , og også disse innretningene kan bli referert til som TEA-lasere. Kommersielle excimer-lasere som opererer i ultrafiolett, bruker et dobbeltutladningsregime som er veldig lik CO 2 TEA-laseren. Ved bruk av krypton , argon eller xenonklorid eller fluoridgass som er bufret med helium til 2-3 atmosfære av trykk, kan Excimer-lasere produsere megawattpulser med ultrafiolett laserlys.
Mikroskopisk utladningsbeskrivelse
I de fleste overspente gnistgap beveger skred av elektroner seg mot anoden. Når antallet elektron øker, sier Coulombs lov at også feltstyrken øker. Det sterke feltet akselererer skredet. En langsom stigningstid på spenningen lar elektronene drive mot anoden før de kan generere et skred. Elektrofile molekyler fanger opp elektron før de kan generere et skred. Termiske effekter destabiliserer et homogent utladningselektron og ionediffusjon stabiliserer det.
applikasjoner
TEA CO 2 -lasere brukes mye til produktmerking. En logo, serienummer eller best-datert er merket på en rekke emballasjematerialer ved å føre laserlyset gjennom en maske som inneholder informasjonen, og fokusere den ned til en intensitet som ablaterer materialet som skal merkes. Ved siden av denne brukes TEA CO 2- lasere til overflatebehandling i industrielle miljøer siden midten av 90-tallet. Søknader inkluderer:
- Selektiv eller komplett malingstriping, kjent som selektiv laserbeleggfjerning (SLCR) innen flyvedlikehold eller reparasjon; denne selektive strippeprosessen ble godkjent i 2001 som den første laser strippeprosessen av OEMs og flyvedlikeholdssentre.
- Aktivering eller rengjøring av overflater for maling og liming.
- Fjerning av forurensnings- eller beleggingslag, som forberedelse for liming eller sveising.
- Bruk gratis rengjøring av muggsopp og verktøy, f.eks. Dekkformer eller -former for å produsere skinn til interiørdeler til biler.
Fordelen med denne spesifikke laseren er kombinasjonen av CO 2- spesifikk bølgelengde, hovedsakelig 10,6 um, med det høye energinivået til de korte pulsen (~ 2 μs).
Se også
referanser
- CKN Patel. Tolkning av CO 2 -optiske Maser-eksperimenter. Phys. Pastor Lett. 12 (21): 588-590; 1964.
- AJ Beaulieu. Transversely Excited Atmospheric Pressure CO 2 Lasers. Appl. Phys Lett. 16 (2): 504-505; 1970.
- PR Pearson og HM Lamberton. Atmosfærisk trykk CO 2 lasere Giving High Output Energy per volum. IEEE J Quant Elec. 8 (2) 145-149; 1972.
- JI Levatter og SC Lin. Nødvendige forhold for den homogene dannelsen av pulserende skredutslipp ved høye gasstrykk. J.Appl.Phys. 51 (2) 210-222; 1980.