W czasie prac demontażu przemysłowego dla jednego z naszych klientów, udało nam się pozyskać kilka zestawów dość nietypowych laserów typu CO2. Są to wielotubowe lasery w obudowie metalowej z wzbudzeniem gazu roboczego, szybkozmiennym polem elektromagnetycznym wysokiej częstotliwości - RF. Wyprodukowane zostały przez renomowaną w branży firmę Coherent. Zestaw roboczy takiego lasera składa się z modułu laserowego, generatora wysokiej częstotliwości oraz zasilacza niskiego napięcia 48V z wydajnością prądu co najmniej 60 A. W trakcie oględzin prac, nawet nie zdawaliśmy sobie sprawy, że wewnątrz maszyn, których żywot dobiega końca będą takie atrakcje. Dopiero po rozpoczęciu zadania zdaliśmy sobie sprawę, że pozyskamy naprawdę ciekawe "perły".
W tradycyjnych laserach CO2, ale także i innych tego typu pompowanie ośrodka odbywa się za pomocą przyłożonego do elektrod stałego, wysokiego napięcia. To napięcie powoduje jonizację atomów gazu co jest niezbędne do rozpoczęcia pracy lasera. Nie będziemy rozwijać podstaw teoretycznych, bo te umieściliśmy w innym artykule w dziale lasery. Chcemy jedynie w tym miejscu wskazać, czym opisywany laser różni się od tych tradycyjnych. W nim zamiast wysokiego napięcia przyłożono elektrody podłączone do generatora wysokiej częstotliwości. Generator ten na wyjściu dostarcza przebieg o częstotliwości 100 MHz z mocą do 1 kW. Dzięki wytwarzanemu przez ten przebieg szybkozmiennemu polu elektromagnetycznemu w tubach lasera dochodzi do zapalenia plazmy nazywanej indukowanej ICP (inductive coupled plasma). W tak zapalonej plazmie dochodzi już do kolejnych zjawisk związanych z wymuszoną emisją promieniowania podobnie jak w laserach z tradycyjnym wzbudzaniem. Takie pompowanie ma szereg zalet, ale o nich opowiem w kolejnym opracowaniu poświęconym praktycznemu zastosowaniu tej maszyny.
Rys. 1 Głowica laserowa z zasilaczem wysokiej częstotliwości i przewodem łączącym.
Niniejsze opracowanie zaczniemy od przedstawienia takiego zestawu laserowego w szczegółach anatomicznych. Zazwyczaj jeśli demontujemy linię przemysłową mamy możliwość kupienia także magazynu utrzymania ruchu z nią związanego. Tak było i tym razem - w tym magazynie znajdował się jeden zestaw laserowy oznaczony jako uszkodzony. Wylądował w naszym laboratorium, szkoda było, by trafił na złom. Dzięki niemu mogliśmy dokładnie zapoznać się z budową takiego nietypowego lasera.
Rys. 2 Uszkodzona głowica lasera RF CO2.
Cała obudowa wykonana jest z anodowanego aluminium, w spodniej części znajduje się wodny panel chłodzący i jak widać na powyższym zdjęciu to najprawdopodobniej on był przyczynkiem awarii. Z boku widać białe wykwity tlenku glinu.
Rys. 3 Uszkodzona głowica lasera RF CO2 - widok lusterek i wyjścia wiązki.
Z obu stron głowicy laserowej zobaczyć można posadowy lusterek wraz z uchwytami i śrubami umożliwiającymi regulację kolimacji wiązki. Chodzi tu o to, by wiązka odbita w jednym lustrze idealnie trafiała w następne i kolejne. Dostęp do wszystkich śrubek zabezpieczony jest plombami, które naklejono po ustawieniach. Zapewne jest to długi i mozolny proces dlatego lepiej śrubek tych nie dotykać.
Rys. 4 Uszkodzona głowica lasera RF CO2 - widok lusterek, wyprowadzenia wiązki, gniazda RF.
Na powyższym zdjęciu możemy zobaczyć, że w miejscu jednego z lusterek jest zabudowana przestrzeń - to właśnie w tym miejscu znajduje się lusterko półprzepuszczalne i tu wiązka opuszcza laser i poprzez szereg lusterek wyprowadzona jest do układu zewnętrznego. N zdjęciu Nr 3 możemy zobaczyć czarną rurkę, to właśnie tu wiązka światła laserowego opuszcza już całą głowicę.
Rys. 5 Kanał wyprowadzenia wiązki z lasera.
Po otwarciu pokrywy, możemy zaraz za lusterkiem półprzepuszczalnym umieszczonym w korpusie lasera (które jednocześnie stanowi barierę dla atmosfery gazów roboczych) zobaczyć dwa lusterka które odbijają wiązkę ku tubie wylotowej.
Rys. 6 Zestaw kolimacyjny lusterka półprzepuszczalnego.
Rys. 7 Widok dwóch lusterek odbijających i jednego półprzepuszczalnego od wewnętrznej strony lasera.
Tutaj na zdjęciach widać już, że dobraliśmy się do wnętrza głowicy. Na zdjęciu powyżej lustra od strony wewnętrznej lasera. Dwa całkowicie odbijające na złoconych krążkach z miedzi i jedno wspomniane już wcześniej lustro półprzepuszczalne. Poniżej widok na wnętrze tubu laserowej, widać ceramikę izolującą, elektrody i trzy kanały dla wiązek po prawej stronie. Wyżłobione one są w materiale ceramicznym. Jeszcze do tego wrócimy, gdy rozbierzemy element głębiej. Na razie wracamy na zewnątrz.
Rys. 8 Widok wnętrza lasera.
Rys. 9 Widok obwodu dopasowania impedancji zasilania.
W obwodach źródła zasilania i obciążenia zazwyczaj chodzi o to, by z zasilacza jak najwięcej mocy przenieść do obciążenia. Wszystko jest proste w obwodach prądu stałego, gdzie przeszkadza nam jedynie rezystancja. W obwodach prądu przemiennego, a zwłaszcza z wysoką częstotliwością i mocą sprawy się niezwykle komplikują. W obwodach prądu zmiennego nie mówimy już o rezystancji a o impedancji - zespolonej definicji oporu elektrycznego. Pierwsza część złożenia opisuje opór rzeczywisty dla prądu płynącego w zgodzie z fazą napięcia, część urojona – z prądem przesuniętym w fazie, który wyprzedza przyłożone napięcie lub jest opóźniony względem niego.
Rys. 10 Widok izolowanej elektrody wprowadzającej moc do elektrod wewnątrz.
By do obciążenia zasilanego prądem przemiennym doprowadzić jak najwięcej mocy i zminimalizować tę, która się odbija z powrotem stosuje się tzw. układy dopasowania impedancji. Obwody takie jak ten przy naszym laserze - złożony z cewki, kondensatorów stałych i kondensatora o pojemności regulowanej. To właśnie te elementy starają się niwelować występujące w obwodzie inne indukcyjności i pojemności tak by minimalizować przesunięcie fazy prądu od napięcia i tym samym zapewnić pełny przepływ mocy bez odbić. Te odbicia możemy porównać do mocy biernej w instalacjach elektrycznych. Robi się to coraz bardziej popularne, bo nowoczesne liczniki energii potrafią mierzyć tę moc powiedzmy odbitą, a zakłady energetyczne zaczynają za nią naliczać opłaty także małym gospodarstwom domowym. My jej nie zużywamy, ale płynie ona w instalacjach obciążając ją. Do tematu wrócimy jeszcze w fazie uruchomienia.
Rys. 11 Widok radiatora chłodzącego tubę laserową.
