Расчет полупроводникового лазера

  Предельное значения плотности разрядного тока в слаботочном ВЧЕР j_кр, а значит и максимальную величину электронной концентрации в плазме (n_e) можно определить из условия пробоя ёмкостных приэлектродных слоёв с учётом вторично-эмиссионных процессов на электродах:          j_кр=e*(n_e)_кр*m_e*E_пл@2*p*e*e₀*(Е_сл)_кр,

 где e, m_e – заряд и проводимость электронов в плазме,

(Е_сл)_кр@U_сл/d_сл – напряженность в приэлектродном слое, при котором происходит его пробой,

 d_сл – его эффективная толщина,

 e - относительная диэлектрическая проницаемость слоёв.

Отсюда  .

Согласно этой формуле  для получения приемлемой с точки  зрения возбуждения рабочей среды  СО₂-лазера, концентрации электронов в плазменном столбе слаботочного ВЧЕ-разряда, частота f должна быть выбрана достаточно высокой. Обычно при накачке СО₂-лазеров с диффузионным охлаждением пренебрегают промышленной частотой и выбирают f в диапазоне 30¸200 МГц.

Получено, как того и следовало  ожидать в соответствии с представлениями  об особенностях структуры слаботочного ВЧЕР, что наиболее приемлемые частоты  возбуждения находятся в интервале 80¸150 МГц. В этих случаях в активную следу СО₂-лазера можно вложить удельную электрическую мощность »100 Вт/см³ и более при межэлектродных зазорах 1,5¸3 мм. Немаловажное значение, требующее перехода в высоким частотам возбуждения, имеет и тот факт, что толщина приэлектродных слоёв d_сл(f) с увеличением частоты уменьшается с зависимостью d_сл»V_др/(2*p*f), где V_др – скорость дрейфа электронов в плазменном столбе, граничащим с приэлектродным слоем.

Таким образом, основанием для  перехода к высоким частотам возбуждения   СО₂-лазеров и диффузионным охлаждением являются следующие две особенности слаботочного режима горения ВЧЕР.

• Концентрация заряженных частиц увеличивается с ростом f и достигает необходимых значений при частотах f>50 МГц.
• Толщина приэлектродных слоёв пространственного заряда d_сл в диапазоне частот f>50 МГц составляет доли мм, что позволяет заполнить плазмой малые межэлектродные зазоры d@1,5¸3 мм.

4.2 Безэлектронный импульсно-периодический разряд

Несамостоятельный тлеющий  разряд постоянного тока с ионизацией импульсно-периодическим разрядом (РПТ-ИР) также используется для создания активной среды в электроразрядных технологических СО₂-лазерах с быстрым поперечным протоком газа с непрерывной мощностью от 1 до 40 кВт. Этот метод был впервые использован для накачки СО₂-лазеров в работах Рейли и Хилл. Фактически в данном типе лазеров используются безэлектродные (емкостной) импульсно-периодический разряды.

Безэлектродный (емкостной) импульсно-периодический разряд (ЕИР) относится к сравнительно хорошо изученным объемным импульсным разрядам, широко используемым в импульсных газовых  лазерах. Отличительной особенностью ЕИР является то, что электроды, на которые подается импульсное напряжение, изолированы от разрядного промежутка пластинами диэлектрика.

Этот необычный тип  разряда исследовался теоретически и экспериментально в связи с  применениями в СО2-лазерах. Чтобы  лучше понять процессы в разряде, рассмотрим простую модель.

Полагаем, что импульс  напряжения имеет ступенчатую форму  с напряжением U₀ и пренебрежимо коротким передним фронтом. Первоначальная плотность электронов Ne₀ считается распределенной однородно в разрядном объеме. В импульсно-периодическом разряде заметная концентрация электронов остается от предыдущего импульса. Распределение потенциала в разрядном промежутке считается однородным, слои пространственного заряда вблизи диэлектрических пластин считаются тонкими, а падение напряжения на них мало по сравнению с U₀.

 Электрическое сопротивление  плазмы разряда связано с плотностью  свободных электронов в плазме разряда.

Это приближение аналогично так называемой электротехнической модели. В этой модели изменение электрического поля, тока и плотности электронов в разряде описывается системой нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений, которые легко интегрируются численно, и в результате получаются осциллограммы электрического поля в плазме, тока и плотности электронов, показанные на рисунке 10.

Рисунок 10 – осциллограмма электрического поля в плазме

Для дальнейшего понимания  полезно вывести основные соотношения  и сделать оценки на основе простого физического рассмотрения. Считаем  величину напряжения U₀ достаточно большой, чтобы в разрядном промежутке начался процесс лавинной ионизации.

Когда плотность электронов достигает заметной величины, в плазме начинает течь электрический ток, приводящий к разделению положительных и  отрицательных зарядов в разрядном  промежутке, заключенном между диэлектрическими пластинами, что, в свою очередь, ведет  к экранированию электрического поля в плазме. Когда электрическое  поле в плазме из-за процесса поляризации падает ниже определенной величины, ионизация практически прекращается.

На практике условие малости  длительности фронта нарастания напряжения по отношению к характерному времени  ионизации, определяемому величиной  максимального значения приложенного напряжения U_0P, обычно не выполняется, поскольку U_0P, как правило, больше, чем требуется.

Реальное электрическое  поле в плазме из-за эффекта поляризации  начинает снижаться до того, как  приложенное к электродам напряжение достигнет максимального значения. Максимальная величина, до которой  поднимается электрическое поле в плазме, зависит от скорости нарастания напряжения. Таким образом,  длительность импульса тока, и амплитуда импульса тока определяются скоростью нарастания напряжения.

 Для более эффективной  ионизации следует использовать  импульсы напряжения с более  крутым фронтом нарастания. При  этом генератор должен обеспечивать  достаточно высокую импульсную  мощность и выдавать импульс  тока соответствующей амплитуды.  Ограничения, связанные с характеристиками  выходной цепи импульсного генератора, приводят к уменьшению достижимой  плотности свободных электронов  в разряде.

5 Техника безопасности при работе с лазерами

5.1 Общие положения

Лазеры являются качественно  новыми источниками электромагнитного  излучения. В результате многократного отражения от зеркал резонатора происходит лавинообразное увеличение числа фотонов. Как только интенсивность достигает определенного значения, появляется направленный пучок света - лазерный луч.

 Лазерное излучение  обладает свойствами когерентности,  высокой монохроматичности и  остронаправленности. Это объясняется  как свойствами самого индуцированного  излучения, так и воздействием  резонатора. Интенсивность излучения  лазеров оценивается по величине  энергии или мощности в пучке  и выражается в джоулях или  ваттах. Следует отметить, что энергия,  высвобождаемая в виде вспышек,  может колебаться в широких  пределах: от десятков до тысячи  и более джоулей в импульсе. Результат воздействия лазерного  излучения на органы, ткани и  организм в целом зависит от  длины волны излучения, плотности  энергии (мощности) излучения, длительности  и частоты импульсов, времени  воздействия, а также от физико-химических  и биологических особенностей  тканей.

 В зависимости от  степени опасности генерируемого  излучения лазеры подразделяются на 4 класса:

1) к  лазерам I класса относятся такие лазеры, выходное излучение которых не представляет опасности для глаз и кожи;

2) к лазерам II класса относятся такие лазеры, выходное излучение которых представляет опасность при облучении глаз прямым или зеркально-отраженным излучением;

3) к лазерам III класса относятся такие лазеры, выходное излучение которых представляет опасность при облучении глаз прямым, зеркально отраженным, а также диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от диффузно отражающей поверхности, и (или) при облучении кожи прямым и зеркально отраженным излучением;

4) к лазерам IV класса относятся такие лазеры, выходное излучение которых представляет опасность при облучении кожи диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от диффузно отражающей поверхности.

5.2 Санитарно-гигиеническая характеристика условий труда

При работе с лазерами необходимо помнить, что в зависимости от класса опасности лазеров на обслуживающий  персонал могут воздействовать следующие  неблагоприятные факторы: - лазерное излучение - прямое, зеркально и диффузно отраженное; - световое излучение ламп накачки и факела в зоне обработки  материала; - ультрафиолетовое излучение  от ламп накачки и кварцевых газоразрядных  трубок; - инфракрасное излучение и  тепловыделения от оборудования и нагретых поверхностей при применении мощных лазерных установок для сварки, резки  и термической обработки крупногабаритных изделий; - шум от работающих лазеров  и технологической обработки  материала; - газы и аэрозоли от работающих лазеров и обрабатываемых материалов; - высокое электрическое напряжение, которое создается зарядным устройством; - электромагнитные поля ВЧ и СВЧ  диапазона от генераторов, используемых для накачки лазеров; - ионизирующее излучение при рабочем напряжении лазеров свыше 10,0 кВ; Для гигиенической  оценки вредных факторов необходимо руководствоваться существующими  нормативными документами, регламентирующими  величину ПДУ или ПДК указанных  производственных факторов. Устранение возможности воздействия этих вредных  факторов на обслуживающий персонал достигается выполнением комплекса  конструктивно-технических, планировочных, организационно-технологических, санитарно-гигиенических  мероприятий.

5.3 Ввод в эксплуатацию лазеров

Проекты строительства и  реконструкции предприятий и  подразделений с использованием лазеров, технические задания и  технические условия на проектирование лазеров должны согласовываться  с органами Государственного санитарного  надзора. Перед вводом в эксплуатацию лазеры II - IV классов опасности должны быть приняты комиссией, назначенной администрацией учреждения с включением в ее состав представителя Государственного санитарного надзора. Ввод в эксплуатацию лазерного оборудования предусматривает наличие следующей документации и технических средств, обеспечивающих безопасную работу: - плана размещения оборудования (II - IV класс опасности); - паспорта оборудования с указанием параметров установки; - принципиальных электрических схем оборудования; - технического описания и инструкции по эксплуатации; - инструкции или методических рекомендаций по технике безопасности и производственной санитарии (II - IV класс опасности); - протокола измерения уровней лазерного излучения в рабочей зоне (II - IV класс опасности); - протокола измерения уровней ЭМП или СВЧ диапазона (для лазеров с ВЧ или СВЧ накачкой) в рабочей зоне; - протокола измерения ионизирующего излучения в рабочей зоне (для оборудования с рабочим напряжением более 10 кВ); - протокола измерения уровней шума в рабочей зоне при действующем оборудовании; - протокола анализа воздуха в рабочем помещении на содержание вредных примесей (при действующем оборудовании); - защитных очков или светофильтров с соответствующими спектральными характеристиками и оптической плотностью (II - IV класс опасности). Лазеры должны снабжаться инструкцией, в которой указываются основные технические характеристики (длина волны излучения, выходная мощность, длительность импульса и его максимальная энергия) и мероприятия по безопасной наладке, юстировке и эксплуатации. При работе с лазерами необходимо строго руководствоваться "Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителями", Правилами устройства электроустановок и отраслевым стандартом по электробезопасности ОСТ 64-1-203-75".

5.4 Конструкция лазеров

Оптическая часть лазеров II - IV классов опасности - собственно излучатель (резонатор с системой накачки) - должна находиться в защитном кожухе, снабженном внутренней блокировкой для каждой его части. В случае выхода из строя блокировки излучатель не должен включаться. Работа с открытым излучателем категорически запрещается. Мощные лазеры, генерирующие излучение невидимого диапазона (более 750 и менее 400 нм) должны подавать световые сигналы при генерации. Путь невидимого лазерного луча мощных лазеров должен быть маркирован специальной окраской рейтеров, диафрагм и бленд. Необходимо принять все меры, исключающие попадание в глаза прямых и отраженных лазерных лучей. С целью уменьшения рассеивания излучения линзы, призмы, кюветы и другую оптику, устанавливаемую по ходу лазерного луча, рекомендуется снабжать блендами. Лазерный луч желательно изолировать (канализировать) от окружающей среды непрозрачными кожухами. Ручки управления лазерами рекомендуется располагать так, чтобы исключить возможность облучения работающих лазерным лучом. Оптические системы наблюдения должны обеспечивать ослабление излучения до безопасных уровней. Все автоколлимационные трубы и другие приспособления для визуальной юстировки лазеров должны быть снабжены вмонтированными защитными фильтрами с полосой поглощения основной частоты спектра активного элемента. Указанные фильтры подбираются по ГОСТ - 9411-76. Лазеры маркируются знаком лазерной опасности, согласно ГОСТ 12.4.026.76 "Цвета сигнальные и знаки безопасности" и этикеткой с текстом: "Внимание! Лазерное излучение!". С целью снижения напряженности электромагнитных полей в диапазоне высоких и сверхвысоких частот, а также ионизирующего излучения, возникновение которого возможно в процессе эксплуатации лазеров большой мощности, необходимо обеспечить экранирование излучающих элементов в соответствии с СНиП N 848-70 и СП N 756-68 и нормами радиационной безопасности (НРБ-76).

5.5 Рекомендации для персонала, обслуживающего лазеры

Персонал, допущенный к работе с лазерами, должен проходить предварительный  и периодический инструктаж и  обучение безопасным приемам и методам работы в соответствии с "Положением о порядке проведения инструктажа и обучения по технике безопасности и производственной санитарии рабочих, инженерно-технических работников и служащих на предприятиях и в организациях отрасли". При изменении технических параметров лазеров или характера выполняемых работ проводится внеочередной инструктаж. Лица, не связанные с непосредственным обслуживанием лазеров и посещающие лазерные подразделения по служебной необходимости, должны сопровождаться лицом из персонала подразделения, отвечающим за их безопасность. Персонал рекомендуется обучить методам оказания первой помощи при поражении лазерным излучением, электрическим током и другими опасными факторами. Персоналу не рекомендуется: - смотреть на лазерный луч и его зеркальное отражение; - вносить в зону лазерного луча блестящие предметы, способные вызывать его зеркальное отражение, если они не связаны с производственной необходимостью. При использовании лазеров в лечебных или диагностических целях каждый сеанс лечения должен регистрироваться в специальный журнал с указанием энергетических и временных параметров лазерного излучения. Одновременно с записью в журнале необходимо и отмечать проведение лечения в амбулаторной карте или истории болезни. Ответственность за правильное проведение лечебной или диагностической процедуры с помощью лазерного луча возлагается на врача, отпускающего процедуру. Медицинский персонал, обслуживающий лазеры и пациентов во время облучения, рекомендуется обеспечивать защитными очками.