Промышленное применение лазеров

УДК 621.373.826 (075.8) Б435

Рецензенты:

доктор технических наук, ггрофессор, заведующий кафедрой «Металловедение и термическая обработка металлов» Ю Н. Симонов

(Пермский государственный технический университет)

доктор технических наук, старший научный сотрудник, заведующий кафедрой «Сварочное производство и упрочняющие технологии» Е.Н. Сафонов

(Нижнетагильский технологический институт (ф) УГТУ-УГГИ)

Белова, С.А.

Б435 Промышленное применение лазеров: учеб, пособие / С.А. Белова. - Пермь: Изд-во Псрм. гос. техн. ун-та, 2007. - 288 с.

ISBN 978-5-88151-807-3

Рассмотрено практическое применение лазеров во многих сферах производ­ ственной и научной деятельности: в измерительной технике, химической промыш­ ленности, оптических системах связи, вычислительной технике, приборостроении, а также при обработке материалов. Представлены основные характеристики лазер­ ного излучения как нового универсального инструмента для обработки материалов, кратко изложены физические процессы лазерной технологии.

Предназначено для широкого круга читателейпроизводственников, инженерно-технических работников, исследователей, студентов старших курсов вузов, не имеющих специальной подготовки в области лазерной техники, но желающих работать над решением различных производственных, технологиче­ ских или исследовательских задач методами и средствами этой новой разви-

и техники.

УДК 621.373.826 (075.8)

Издано в рамках приоритетного национального проекта «Образование» по программе Пермского государственного технического университета «Соз­ дание инновационной системы формирования профессиональных компетенций кадров и центра инноваг^ионного развития региона на базе многопрофильного технического университета»

ВВЕДЕНИЕ

Проблемы современного машино- и приборостроения требуют создания и развития технологий, которые поднимут на качественно новый уровень процесс изготовления изделий. К таким технологи­ ям следует отнести лазерную обработку, получившую в последние десятилетия интенсивное развитие. С момента создания первого лазера прошло немногим около полувека. За эти годы в нашей стране и за рубежом проведены обширные исследования в области квантовой электроники и создано большое количество различных лазеров и приборов на их основе. Одновременно с разработкой кон­ струкций лазеров велись поиски областей их применения, особенно для целей лазерной технологии.

Учебное пособие подготовлено для студентов, изучающих раз­ делы дисциплин, связанные с применением новых прогрессивных методов изготовления заготовок и готовых деталей высокого качест­ ва: Теоретические основы поверхностного упрочнения. Современные методы исследования, Теория и технология покрытий, Лазерная об­ работка материалов. Восстановление деталей и отливок, Лазерные технологии в литейном производстве, Специальные методы сварки, Резание материалов, Процессы обработки заготовок, Технологиче­ ские процессы в машиностроении.

Теоретический материал пособия базируется на знаниях, полу­ ченных при изучении «Физики» из цикла общих математических и естественно-научных дисциплин.

Основная цель пособия - изучение фундаментальных основ тео­ рии формирования лазерного излучения, его взаимодействия с мате­ риалами, устройства лазерных технологических установок, исполь­ зование лазерных технологий в различных сферах производства и других областях.

Большая часть пособия посвящена уже сложившимся областям применения лазеров. Приведены конкретные примеры, иллюстри­ рующие потенциальные возможности соответствующих методов. Наряду с этим рассматриваются и новые области применения лазе­ ров, которые находятся в настоящее время в стадии эксперименталь­ ного изучения. В их число входят такие, окончательное значение ко­ торых пока еще полностью не определено, ко которые могут принес­ ти большие выгоды.

Учебное пособие предназначено лицам, занимающимся кон­ кретными техническими задачами; лицам, которые хотят знать, ка­ ким образом лазерная техника может оказать им помощь в решении этих задач. В большинстве изданных ранее книг по лазерам очень хорошо излагаются основы квантовой электроники, но лишь отно­ сительно небольшое число из них посвящено тому, как использо­ вать лазеры в промышленности. В данном пособии предпринята попытка более подробно рассмотреть этот вопрос. Безусловно, здесь нельзя найти готовых решений стоящих перед читателем за­ дач, но можно увидеть, как лазеры используются в тех областях, где они уже нашли применение. Можно надеяться, что такой подход будет стимулировать воображение читателя, который сможет оце­ нить потенциальные возможности применения лазеров для решения стоящей перед ним задачи.

ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

Развитие лазеров представляет собой одну из ярких страниц ис­ тории научно-технического прогресса. В итоге был создан новый тип устройств, потенциальные возможности применения которых чрезвы­ чайно велики. История развития лазеров начинается с 1917 г., когда Альберт Эйнштейн теоретически обосновал процесс вынужденного излучения, на котором основывается работа лазеров. Вынужденным излучением обусловливается процесс усиления света, в результате ко­ торого в лазере происходит увеличение интенсивности до очень высо­ кого уровня. Основные закономерности процесса вынужденного излу­ чения были теоретически обоснованы также Эйнштейном.

Однако сама по себе формулировка закономерностей процесса вынужденного излучения не привела к немедленному созданию ла­ зера. В 30-х гг. проведено большое количество исследований в об­ ласти оптической спектроскопии. В этот период исследовано боль­ шинство атомных и молекулярных энергетических уровней, которые впоследствии были использованы в лазерах. К 1940 г. информация об энергетических уровнях и технология создания оптических ма­ териалов оказались достаточными для того, чтобы обеспечить раз­ работку лазеров. Были сделаны также и основные теоретические предпосылки.

Во время Второй мировой войны основные исследования про­ водились в сверхвысокочастотном участке спектра электромагнит­ ных колебаний, и именно в этой области был достигнут существен­ ный прогресс. Поэтому, очевидно, разработка лазеров шла в какой-то мере окольным путем. В 1954 г. Ч. Таунс (США) него сотрудники создали устройство, получившее название «мазер». Термин «мазер» (maser) составлен из первых букв английского названия этого уст­ ройства: microwave amplification by stimulated emission of radiationусиление микроволн с помощью стимулированного излучения. Из­

вестно, что в то же время и совершенно независимо от Ч. Таунса со­ трудники Физического института им. Лебедева АН СССР Н.Г Басов

иА.М. Прохоров создали аналогичное устройство, получившее на­ звание «молекулярный генератор». Это устройство предназначалось для усиления СВЧ-сигналов на основе процесса вынужденного излу­ чения. В 50-х гг. вопросы разработки мазеров привлекли большое внимание ученых. Однако впоследствии интерес к мазерам снизился,

ив настоящее время они используются лишь в качестве приемников для радиоастрономических исследований.

В1958 г. Ч. Таунс и А. Шавлов сделали предположение, что яв­ ление вынужденного излучения, которое к тому времени уже нашло практическое применение в мазерах, может быть использовано также в инфракрасной и видимой областях спектра. Это предположение

побудило ученых вновь обратить внимание на исследования в оптической области. Вначале устройство получило название «оп­ тический мазер». Однако затем это название было заменено более коротким словом «лазер» (laser - сокращенная форма английского выражения Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation).

После этого во многих лабораториях начались работы по соз­ данию лазеров. Первой практической реализацией идеи следует считать рубиновый лазер, созданный Т. Мейманом (США) в сере­ дине 60-х гг. Этот лазер излучал импульсы коллимированного света с длиной волны 0,6943 мкм. Довольно примитивный с точки зрения современных стандартов, он сразу привлек к себе внимание науч­ ной общественности. Импульсный рубиновый лазер обеспечивал получение света с чрезвычайно высокой степенью монохроматич­ ности, мощность его была очень высокой. Этот лазер впервые вы­ ступил в качестве источника когерентного излучения в видимой области спектра. После создания первого лазера существенно рас­ ширился круг лабораторий, которые вели работы в области лазер­ ной техники.

1,15 мкм и был первым лазером, работавшим в непрерывном режиме.

В 1962 г. в гелий-неоновом лазере была осуществлена генерация на переходе с длиной волны 0,6328 мкм, и гслий-неоновый лазер стал первым непрерывным лазером в видимой области спектра. Гелийнеоновые лазеры в видимой области спектра продолжают совершен­ ствоваться до настоящего времени. Они, несомненно, представляют собой наиболее широко распространенный тип лазеров.

В 1962 г. был создан лазер другого типа - полупроводниковый на основе небольшого кристалла арсенида галлия. Его конструкция принципиально отличается от конструкций созданных ранее газовых и рубиновых лазеров.

Наиболее интенсивное развитие лазерной техники приходится на период 1962-1968 гг. В это время были созданы, по существу, все основные типы лазеров и выявлено большинство областей их прак­ тического использования. Уже на самых начальных этапах была до­ казана возможность применения лазеров для плавления и испарения небольших количеств металла. В этот же период были выявлены воз­ можности использования лазеров в системах связи, воспроизводящих устройствах, интерферометрических системах, для голографических целей, а также во многих других областях. На этом этапена лазеры возлагались большие надежды.

Однако до настоящего времени развитие лазерной техники нахо­ дится все-таки в зародышевом состоянии. Имеющиеся материалы об­ ладают слишком плохим качеством, а сами лазеры являются весьма хрупкими устройствами с низкой надежностью и малым сроком служ­ бы. Несмотря на то что давно уже известны основные области приме­ нения лазеров и оценены потенциальные преимущества их примене­ ния, уровень развития лазерной техники не обеспечивает надежного выполнения поставленных задач. В ряде случаев это привело к неко­ торому разочарованию в отношении лазеров. В принципе, весь период вплоть до 1968 г. представляется лишь начальным этапом развития лазерной техники, на котором были выявлены возможности примене­ ния лазеров, но нс удалось в полной мере осуществить реализацию этих применений. На протяжении указанного периода были созданы все основные типы известных в настоящее время лазеров.