Промышленное применение лазеров

самых ответственных частей ЛТУ. Необходимо отметить, что работа ЛТУ может осуществляться по заранее написанной программе или корректироваться в ходе процесса обработки на основании данных системы наблюдения. С целью повышения производительности ЛТУ в будущем планируется полная автоматизация их работы.

Система автоматического управления (САУ) является подсис­ темой системы управления автоматизированного лазерного техноло­ гического комплекса и предназначена: для обеспечения автоматиче­ ского вывода технологического лазера на заданный режим генерации излучения; обеспечения безаварийности и безопасности функциони­ рования технологического лазера; активной стабилизации парамет­ ров лазерного излучения и внутренних технологических параметров лазера; управления временным ходом мощности лазерного излуче­ ния, необходимым для выполнения процесса лазерной обработки из­ делий в автоматизированном лазерном технологическом комплексе.

Рабочий стол служит для закрепления и позиционирования об­ рабатываемой детали относительно неподвижного сформированного лазерного излучения. В зависимости от направления и величины не­ обходимых относительных перемещений излучения и обраба­ тываемой заготовки возможны следующие механизмы их реализа­

фокусирующей оптики относительно неподвижной заготовки, на­ пример при пробивке отверстий; применение сканирующих оптиче­ ских систем, обеспечивающих перемещение сфокусированного излу­ чения по обрабатываемой заготовке при помощи оптико-механи­ ческих или оптико-электронных элементов (при относительно невысоких величинах относительного смещения, например при тер­ мической обработке отдельных участков); перемещение фокуси­ рующей системы по координате х, например при наплавке на такие детали, как распределительный вал автомобиля и др.

Для некоторых процессов обработки материалов, например резки металлов С02-лазером, применяют дополнительный вспомога­ тельный газ (кислород, воздух и т.п.), истекающий с высокой скоро­

стью из сопла и воздействующий химически и механически на мате­ риал в зоне обработки, что увеличивает технологические возможно­ сти ЛТУ. например повышает соотношение толщины разрезаемого материала и скорости резки. Ввиду того, что необходимо с большой точностью совместить ось сформированного лазерного излучения с направлением воздействия вспомогательного газа, для относитель­ ных перемещений излучения и обрабатываемой заготовки использу­ ют только координатный стол.

В ряде случаев технологические установки снабжаются устрой­ ством для дозирования энергии; системой автоматической стабили­ зации уровня выходной энергии; программным (электронным или электромеханическим) устройством, регулирующим прохождение импульсов излучения лазера на обрабатываемую *заготовку и пере­ мещение рабочего стола; системой автоматической стабилизации уровня выходной энергии.

2.3.4. К оэф ф ициент полезного действия

лазерны х установок

Эффективность лазера как источника излучения определяется важным энергетическим показателем - КПД лазера. КПД лазера бы­ вает физический и полный. Под физическим КПД понимается отно­ шение энергии излучения к энергии, поглощаемой активным элемен­ том лазера. Полный КПД -- отношение энергии излучения ко всей энергии, затраченной системой.

Общий энергетический КПД лазера rj, определяемый как отно­ шение выходной мощности или (в случае импульсного режима рабо­ ты) энергии излучения (затраченной на осуществление генерации этой энергии) к потребляемой для генерации электрической мощно­ сти (или энергии), можно представить в виде

Л = ЛкнЛрЛвЛсо.,

где Лквквантовый КПД; лР~ КПД резонатора; г|в- КПД возбужде­ ния; ric о - КПД систехМ обслуживания.

Квантовый КПД г|кв зависит от способности среды переходить в возбужденное состояние, определяется как отношение энергии гене­ рируемого кванта h ц> к энергии возбуждения наиболее высокого уровня ЕЙ,участвующего в процессе создания инверсной заселенности

hv0

Пк» Е.

КПД резонатора riP характеризует долю всех возбужденных на верхний лазерный уровень частиц, переходящих на нижний уровень с испусканием когерентного кванта, т|р = 0,3-Ю,7.

КПД системы возбуждения г|в активной среды зависит от свойств активной среды и системы накачки и характеризует эффек­ тивность перевода электрической или тепловой энергии, используе­ мой для накачки лазера, в энергию возбуждения верхнего лазерного уровня активной среды, и равен отношению

где Е2- энергия возбужденного верхнего лазерного уровня, V, - ско­ рость его заселения, W* - полная электрическая или тепловая мощ­ ность, затраченная на возбуждение лазера, Уг- объем возбуждаемой активной среды.

Обычно г|в = 0,1-5-0,7.

КПД систем обслуживания г|со учитывает необходимые для ра­ боты лазера энергетические затраты, не связанные с возбуждением сре­ ды и генерацией лазера непосредственно. Обычно они учитывают КПД источников питания, затраты на прокачку рабочей смеси хладагента, питание дополнительных обслуживающих систем. Величина г)со зави­ сит от типа конкретного лазера и обычно лежит в интервале 0,5-Ю,9.

Таким образом, общий КПД лазеров невелик и достигает 15 % - для газовых, 8 % - для твердотельных и 30 % - для полупроводнико­ вых лазеров.

2.3.5. Перспективы развития и применения лазеров

Развитие лазерной техники с начала ее истории и вплоть до на­ чала 60-х гг. проходило исключительно быстрыми темпами. Рабочие характеристики лазеров, в том числе такие, как диапазон длин волн, пиковая мощность и стационарная мощность, улучшались почти ка­ ждый месяц. Были предложены, опробованы и внедрены в практику новые виды лазерной техники.

Диапазоны длин волн, перекрываемые лазерами разных типов, схематически показаны на рис. 2.19. Следует, однако, помнить, что эти области состоят из отдельных дискретных линий генерации, принадлежащих лазерам с той или иной активной средой, за исклю­ чением перестраиваемых в широких пределах лазеров на красителях.

Рассмотрим сначала обычные лазеры, т.е. те лазеры, которые уже достаточно хорошо разработаны. К ним относятся гелий-неоно­ вые, рубиновые лазеры, лазеры на СО2, гранате с неодимом и арсе­ ниде галлия. Такие лазеры уже доступны в течение многих лет и достигли некоторого уровня завершенности. Для большинства этих лазеров наиболее важные разработки в последние годы были связаны с повышением надежности. Вначале лазеры были весьма недолго­ вечными и ненадежными устройствами, требовали большого внима­ ния и частой регулировки. В настоящее время лазеры являются на-

дежными, прочными и достаточно экономичными в работе устройст­ вами. Наиболее наглядным примером этого может служить лазер на арсениде галлия, первые модели которого имели очень небольшой срок службы. Разработка гетероструктур привела к тому, что в на­ стоящее время лазеры на арсениде галлия имеют существенно боль­ ший срок службы.

Выходная мощность некоторых обычных лазеров в течение по­ следних лет остается неизменной, и, по-видимому, для этих лазеров нет больших надежд на дальнейшее увеличение мощности. К таким лазерам относятся, в частности, гелий-неоновый, аргоновый, рубино­ вый лазеры и лазер на стекле с неодимом. Для этих относительно завершенных лазеров перспективы существенного повышения уров­ ней выходной мощности в будущем не достаточно ясны. Эти лазеры, по-видимому, достигли некоторого состояния завершенности при достаточно хорошо разработанной конструкции и технологии изго­ товления. Исключением являются лазеры на СО2 и гранате с неоди­ мом. Для них в последние годы были разработаны новые варианты конструкции и новые методы работы, что привело к созданию новых типов устройств с более высокими уровнями выходной мощности. Некоторые из этих усовершенствований обсуждались в предыдущих разделах. При таком темпе развития возможно, что лазеры на СО2 и гранате с неодимом будут непрерывно совершенствоваться в даль­ нейшем. Весьма вероятно, в частности, что будут получены более высокие уровни мощности в непрерывном режиме. В качестве при­ мера можно указать на высокую вероятность широкого распростра­ нения многокиловаттных лазеров на С02.

Непрерывно расширяется применение лазеров в сфере обработ­ ки материалов (табл. 2.1). В тех случаях, когда лазеры могут конку­ рировать по стоимости, они начинают вытеснять обычные методы обработки.

Техническая характеристика лазерных установок

Условные обозначения: И - импульсный режим, Н - непрерывный режим, РО - раз­ мерная обработка, ПО - поверхностная обработка, С - сварка.

К разрабатываемым лазерам, которые смогут найти различные об­ ласти применения, можно отнести перестраиваемые лазеры, химиче­ ские лазеры и лазеры, излучающие в ультрафиолетовой области спек­ тра. Многие из них уже были продемонстрированы в качестве экспери­ ментальных устройств. Можно рассчитывать, что они достаточно скоро станут промышленными и найдут широкое практическое применение.

Перестраиваемые лазеры. Некоторые возможности перестройки длины волны лазеров уже были рассмотрены в разделах по лазерам на красителях и полупроводниковым лазерам (п. 2.3.3). Эти лазеры явля­ ются единственными промышленными лазерами, которые в настоящее время обладают возможностью перестройки. Но вполне вероятно, что дальнейшие усовершенствования, в том числе и использование иных

принципов перестройки, позволят создать лазеры, перестраиваемые в широком спектральном диапазоне. В настоящее время, как уже гово­ рилось выше, имеются лазеры на красителях, в которых возможна не­ прерывная перестройка длины волны во всем видимом диапазоне спектра. В полупроводниковых лазерах используется перестройка с помощью тока и магнитного поля. Это дает возможность перестрой­ ки в относительно малых ограниченных участках инфракрасного спектра. Перестройка во всем диапазоне от ультрафиолета до далекого инфракрасного излучения может быть осуществлена с помощью раз­ нообразных устройств после того, как они будут достаточно хорошо разработаны. Некоторые из этих устройств приведены в табл. 2.2.

Если имеется перестраиваемый лазер в одной области спектра, то может быть получено излучение на более коротких или более длинных волнах при генерировании суммарных или разностных час­ тот. Лазеры на красителях часто используются в качестве исходных источников перестраиваемого излучения.

Разработка лазеров, перестраиваемых в широкой спектральной области, дала бы много преимуществ. Потребитель получил бы воз­ можность выбора требуемой длины волны в очень широком диапа­ зоне. Это важно в таких областях применения, как фотохимия или спектроскопия. При этом источник света был бы высокомонохроматичным. Очень перспективными являются разрабатываемые в по­ следние годы лазеры на свободных электронах, частота излучения которых может перестраиваться во всем оптическом диапазоне.

Химические лазеры представляют другой тип лазеров, которые, по-видимому, достигнут стадии практического использования в бли­ жайшем будущем. Химические лазеры работают без электрического питания. Для этого потоки химических реагентов должны переме­ щаться и реагировать. Инверсия населенностей возникает при воз­ буждении энергией, выделяющейся в химической реакции. Для хи­ мического лазера имеется принципиальная возможность работы без внешнего источника электрической энергии. Вся необходимая энер­ гия может быть получена за счет химической реакции. В одном из наиболее перспективных химических лазеров основные процессы могут быть представлены серией реакций:

F+H2-»HF*+H; H+F2-»HF*+F; HF*-*HF+/?V.

В первой реакции для инициирования необходим свободный атом фтора. Одной из постоянных проблем химических лазеров яв­ ляется разработка методов эффективного получения таких свобод­ ных атомов. В табл. 2.3 приведены данные по некоторым исследо­ ванным химическим лазерам.

Отметим, что С02-лазер может работать как химический. КПД выражает долю выделяющейся при химической реакции энер­ гии, превращаемую в лазерное излучение.

В табл. 2.3 включен также в качестве примера йодный лазер, который работает по другому принципу. Йодный лазер представляет интерес как источник высокомощных импульсов в ближней инфра­ красной области.

случае не так высок, как во втором. Непрерывные химические лазеры с выходной мощностью порядка нескольких киловатт уже работают в лабораториях, и вполне вероятно, что будут сконструированы лазе­ ры с большей мощностью. Такие лазеры, в принципе, могут работать без электрического питания, используя лишь смешение втекающих химических компонентов. Они могут быть применены для создания удаленных высокомощных лазерных установок без электропитания.

Ультрафиолетовые ирентгеновские лазеры. Одним из важных результатов развития лазеров должно было бы явиться освоение ульт­ рафиолетового и рентгеновского диапазонов спектра. Однако в настоя­ щее время ультрафиолетовые лазеры разработаны крайне слабо. В этом диапазоне излучают только на отдельных линиях непрерывные лазеры на аргоне, криптоне и смеси гелия с кадмием и азотный импульсный лазер на волне 0,3371 мкм. Разработки, выполненные в последнее вре­ мя, указывают на возможность создания ультрафиолетовых лазеров вы­ сокой мощности. К числу таких лазеров относятся эксимерные лазеры на аргоне, криптоне и ксеноне. Эти инертные газы устойчивы только в виде одноатомных молекул. Однако некоторые возбужденные состоя­ ния Аг2, Кг2 и Хе2 могут образовывать связанные состояния. Эксимеры инертных газов при высоком давлении испускают молекулярное излу­ чение в области вакуумного ультрафиолета и обладают высоким коэф­ фициентом преобразования кинетической энергии электронов в свет. Возбуждение происходит при взаимодействии с быстрыми электрона­ ми. Последовательность реакций, происходящих вэксимерном лазере на Хе2, схематически показана на рис. 2.20.

Верхнее возбужденное состояние лазерного перехода Хе2* воз­ никает в результате сложной последовательности соударений, в ко­ торой участвуют ионы Хе+, Хе2+, атомы Хе, молекулярные эксимеры Хе2* и свободные электроны. В окончательном процессе возникает лазерное излучение и образуются свободные атомы ксенона, которые могут снова включаться в цепочку взаимодействий.

Xej —>2Хе + hv