Основные элементы лазеров.
Любой лазер независимо от контсруктивного выполнения и схемы других конкретных особенностей имеет следующие основные элементы:
Рабочее тело – активную среду, состоящую из ансамбля атомов или молекул, для которых может быть создана инверсия населенностей.
Устройство, обеспечивающее какое-либо физическое воздействие на активную среду, позволяющее осуществить инверсию населенностей (накачку).
Оптический резонатор, который служит для осуществления взаимодействия излучения с активной средой и в котором происходит отбор энергии от ансамбля генерирующих излучение частиц.
Устройство, обеспечивающее вывод лазерной энергии из резонатора и осуществляющее ее локализацию и доставку к месту назначения.
Различные специальные системы, связанные с конкретным применением лазера.
Взаимодействие лазерного излучения с веществом
Падающий на поверхность вещества световой пучок частично поглощается, а частично отражается. Из оптики известно, что доля энергии отраженного излучения зависит от длины световой волны и состояния поверхности вещества. Значительная доля светового потока отражается от чистой поверхности.
Для реальных поверхностей, покрытых оксидами и имеющих худшую чистоту обработки, значение коэффициента отражения уменьшается. С ростом температуры вещества на его поверхности стимулируется образование оксидов и других соединений, которые также увеличивают поглощение. Подача в зону обработки кислорода или других газов интенсифицирует этот процесс. В результате можно добиться того, что 20…40 % энергии светового пучка будет поглощено веществом.
Еще большего поглощения энергии лазерного излучения можно добиться при нанесении на поверхность веществ с малыми коэффициентами отражения (газовой сажи, краски, водорастворимых полимерных покрытий), но в этом случае возможно взаимодействие нанесенного вещества с основным материалом, что не всегда допустимо.
Поглощенное веществом лазерное излучение передает свою энергию электронам вещества, в связи с чем глубина проникновения световой энергии в вещество соответствует средней длине свободного пробега электрона, составляющей 5..50 нм для большинства распространенных веществ. Дальнейшая передача энергии из этой зоны в глубь вещества осуществляется вследствие теплопроводности. В отличие от электронного луча, энергия лазерного излучения при взаимодействии с веществом в основном превращается в теплоту, а доля возникающего при этом рентгеновского излучения пренебрежимо мала.
Лазерное излучение относительно небольшой интенсивности может произвести лишь весьма ограниченные изменения поверхности вещества: экспозицию специальных светочувствительных материалов или выцветание некоторых красок. По мере увеличения плотности мощности лазерного излучения до 10^4 Вт/см^2 возможны нагрев и плавление поверхностных слоев материала. Последующее увеличение плотности мощности приводит к увеличению глубины проплавления; одновременно начинает все больше проявляться эффект испарения веществ.
При увеличении плотности мощности лазерного излучения до значения 10^…10^6 Вт/см^2 доля испаренного вещества начинает резко увеличиваться, образуются отдельные капли и частички вещества, которые под действием паров выбрасываются из зоны обработки. Повышение плотности мощности излучения до максимально достижимого значения приводит к интенсивному испарению вещества с минимальным количеством жидкой фазы и выносом его в виде паров из зоны обработки. Для некоторых веществ возможна сублимация.
К технологическим преимуществам мощного когерентного лазерного излучения следует отнести возможности:
1) Передачи энергии в виде светового луча на расстояние.
2) Устранение непосредственного силового и электрического контакта источника энергии с изделием в месте обработки.
3) Плавного регулирования энергии в пятне нагрева путем изменения фокусировки луча.
4) Получение высокой плотности мощности в пятне нагрева благодаря «острой» фокусировке излучения.
5) Достижения высоких температур в зоне воздействия излучения.
6) Получение как импульсов энергии весьма малой длительности, так и непрерывного излучения.
7) Обеспечение малых зон обработки, размеры которых не превышают нескольких микрометров.
8) Оперативного перемещения луча системой развертки при неподвижном объекте обработки с высокой точностью и скоростью.
9) Модуляции мощности луча во времени по заданному закону.
10) Осуществления технологического процесса в любой оптически прозрачной для излучения среде.
Лазерная сварка как технологический процесс, связанный с локальным плавлением, находит все более широкое применение, конкурирую как с традиционными способами сварки, так и с электронно-лучевой сваркой.
Импульсные твердотельные лазеры применяют для сварки малоразмерных деталей в микроэлектронике, приборостроении, где важно получать малоразмерные швы с минимальным разогревом окружающего зону сварки материала. Такую сварку можно вести как отдельными точками, так и герметичными швами при последовательном наложении точек с их перекрытием.
Мощные газовые лазеры позволяют проплавлять за один проход, как и при электронно-лучевой сварке, значительную толщину изделий. Экспериментально установлено, что для проплавления стали на глубину до 5 мм требуется 1 кВт мощности излучения на 1 мм толщины. Однако при дальнейшем увеличении мощности лазерного луча глубина проплавления увеличивается меньшими темпами и для сварки изделий толщиной более 20 мм требуются уже весьма мощные лазеры, потребляющие из сети сотни киловатт электрической мощности.
Лазерная сварка дает узкий шов кинжального типа с малыми деформациями свариваемых деталей, что позволяет применять этот способ для соединения окончательно обрабатываемых узлов и деталей.
Прогресс в создании мощных потоков энергии когерентного лазерного излучения идет по пути наращивания мощности излучения с соответствующим увеличением потребляемой электрической мощности. Лазерная сварка получила дальнейшее развитие в виде создания гибридных способов сварки (Двухлучевой лазерной, лазерно-дуговой, лезерно-индукционной, лезерно-плазменной, светолазерной), которые находят все большее применение в промышленности вследствие своей высокой технико-экономической эффективности.
Лазерная сварка неметаллических материалов возможна благодаря тому, что излучения лазера на СО2 с длиной волны 10,6 мкм достаточно хорошо поглощается этими материалами и может быть использовано для их нагрева, плавления и последующей сварки.
Резка материалов лазерным излучением может быть основана на локальном плавлении материала и его дальнейшем удалении под действием сил тяжести, конвективного потока или газовой струи. Если же расплавленный материал перегрет и упругость его паров достаточно высока, образующиеся пары могут быть удалены из зоны резки струей инертного газа. При лазерной резке можно получать узкие резы с минимальной зоной термического влияния. Эффективность резки может быть значительно повышена в результате введения в зону резки активного газа, например кислорода.