13.1. Поняття про лазери та їх види

Лазером називають джерело потужного світлового моно­хроматичного випромінювання.

Лазер (від англ. «laser») є скороченням від словосполучення "light amplification by stimulated émission of radiation¹' - посилення світла за допомогою індукованого випромінювання.

Серед наукових досягнень XX ст. чільне місце належить лазерам. У 1960 р. доктор Г. Мейман (Каліфорнія) уперше отримав лазерний промінь. У 1964 р. Н.Г. Басов, A.M. Прохоров (інститут фізики ім. П. Лебедева, Москва, тоді Радянський Союз, тепер Росія) і Чарльз Таунс (Массачусетський технологічний інститут, США) були відзначені Нобелівською премією за основні дослідження в квантовій електроніці, які привели до створення лазерів.

На сьогодні відомо понад 350 різних сфер діяльності людини де застосовуються лазери. Це - локація, системи передачі інформації, спектроскопія, телебачення, біологія, медицина, військова справа, синтез нових матеріялів, оброблення конструкційних матеріялів різанням, виготовлення отворів у волоках з надтвердих матеріялів (наприклад, з алмазу), за допомогою яких отримують надтонкий дріт, легування приповерхневих шарів виробів для поліпшення їх властивостей, виготовлення мікросхем тощо.

Основними елементами лазера є тіло та система збудження випроміню­вання. Тіло лазера виготовляють з твердих, рідинних та газових речовин.

Відомо чотири типи лазерів: тверді, напівпровідникові, рідинні та газові.

1. Тверді лазери. Це найпоширеніший вид лазерів, їх виготовляють з монокристалів штучного рубіну, скла, легованого неодимом тощо.

Монокристал штучного рубіну - це кристал оксиду алюмінію легований хромом (0,05%). Довжина тіла рубінового лазера дорівнює 45-240 мм, діяметер 3,5-16 мм. Коефіцієнт корисної дії рубінового лазера становить 0,1-0,5%, а інших не перевищує 2%.

Тіло напівпровідникових лазерів найчастіше виготовляють з арсеніду галію, сіліцію, легованого індієм, арсеніду індію тощо. Коефіцієнт корисної дії (к.к.д.) напівпровідникових лазерів становить 40- 50%. Крім великого к.к.д. ці лазери мають малі розміри. Тіло напів­провідникового лазера виготовлене з монокристала розміром 1 мм³. Це перспективний тип лазерів. Напівпровідникові лазери вже зайняли чільне місце у зв'язку, голографії, космічній техніці та медицині.

2. Газові лазери. Тілом у цих лазерів є суміш газів С0₂+Не+М₂. Оскільки гелій (Не) дуже дорогий, то ведуться пошуки безгелієвих сумішей. Ось деякі: C0₂+N₂+H₂(У, С0₂+ ії₂+ повітря тощо. Лазери, у яких тіло складається з таких сумішей, називають С0₂-лазерами, або лазерами на С0₂.

3. Рідинні лазери. Тіло рідинних лазерів виготовляють з розчинів неорганічних сполук рідкісноземельних елементів і органічних барвників, наприклад оксихлорид селену з домішками неодиму.

На практиці для проведення технологічних процесів використовують тверді та газові лазери.

13.2. Схема та принцип роботи рубінового лазера

На рис. 16 зображено схему рубінового лазера. Великий кристал штучного рубіну / у формі стрижня з ретельно відполірованими торцями, покритими шаром срібла, поміщений у середину наповненої ксеноном спіральної лампи 2, яку називають лампою нагнітання. Лампа живиться від батареї конденсаторів 3 і під час розрядження їх періодично спалахує. Рубіновий стрижень 1 вставлений у скляну трубку 4, в яку 114

безперервним потоком над­ходить охолодне середовище. Положення стрижня в трубці зафіксоване пружиною 5. Під час інтенсивного спалахуван­ня лампи рубін освітлюється й атоми хрому, поглинаючи світловий квант, переходять з нормального стану в збудже­ний унаслідок оптичного на­гнітання. У момент, коли більша половина атомів хрому переходить у збуджений стан, рівновага стає нестійкою, атоми повертаються в нормальний стан і з кристала крізь напівпрозорий передній торець випромінюється пучок червоного світла 6. За допомогою збірної лінзи (на рис. 16 не позначено) цей пучок світла можна сфокусувати на площу діяметром 1 мкм. Велика концентрація енергії дає змогу нагріти поверхню металу до температури у кілька тисяч градусів. Унаслідок цього метал миттєво розплавляється і частково випаровується із зони дії лазерного променя.

Лазерне випромінювання використовують як новий вид універ­сального інструмента яким обробляють матеріяли різанням.

Порівняно з механічним різанням лазерне різання має такі переваги:

^ відсутня механічна дія інструмента на оброблюваний матеріял, що дає можливість обробляти тонкі, крихкі заготівки без побоювання їх пошкодити;

відсутні додаткові пристрої для закріплення заготівок (заготівки вста­новлюють на столі без закріплення);

можна обробляти заготівки в труднодоступних або недоступних для звичайного інструмента місцях, завдяки гнучкості лазерного променя- інструмента;

^ велика продуктивність різання завдяки безінерційності під час перемі­щення лазерного променю відносно заготівки;

^ можна обробляти всі відомі на сьогодні конструкційні матеріяли, завдяки можливості керувати нагріванням у зоні дії лазерного променю; повністю автоматизоване;

виготовлені вироби мають ліпші властивості (надійність, довговічність тощо); поліпшує умови праці, підвищує культуру виробництва.

Рис. 16. Схема рубінового лазера

Лазерним променем виготовляють отвори у твердих сплавах, кераміці, коштовному камінні та інших матеріялах. За одну хвилину можна виготовити до кількох тисяч отворів. Зараз досить гостро стоїть проблема економії матеріялів під час їх розкроювання. Лазерний

промінь розкроює металевий лист у судно-, авіа-, чи автомобіле­будуванні зі швидкістю різання кілька метрів на хвилину, а неметалеві матеріяли - тканини, пластмаси, гуму ще швидше.

Керамічні матеріяли дуже тверді, але порівняно легко ріжуться лазерним променем.

Перспективним у приладо- та машинобудуванні є лазерне зварю­вання мікровиробів, виготовлених в різних матеріялів. На відміну від електронно-променевого лазерне зварювання не потребує складного обладнання та спеціальної вакуумної камери.

Лазерний промінь - універсальний інструмент у багатьох промисло­востях. Його використовують навіть у медицині.

Ультразвукові процеси

Ультразвуковими називають такі технологічні процеси, у ході яких головним рушієм є ультразвук.