Промышленное применение лазеров

Рис. 2.20. Схема процессов, приводящих к накачке эксимерного лазера на ксеноне

Соударения и поглощение излучения на каждой стадии могут приводить к обратным реакциям вдоль цепи, а также к потерям при диффузии.

Необходимость в рентгеновских лазерах возникла еще много лет назад. Рентгеновский источник когерентного излучения нашел бы широкое применение. Было сделано много предложений по раз­ работке рентгеновских лазеров, и во многих лабораториях пытались создать рентгеновские лазеры, но до сих пор ни одна попытка не ока­ залась успешной. Однако интенсивные работы в этом направлении позволяют надеяться, что рентгеновские лазеры будут созданы. Одна из серьезных трудностей на пути таких лазеров - отсутствие зеркал для резонатора. Для создания активной среды рентгеновских лазеров предлагалась плазма, возникающая при взаимодействии лазерных импульсов высокой мощности с поверхностью и интенсивно излу­ чающая в рентгеновской области. Есть основания предположить, что для некоторых высоколежащих состояний многократно ионизован­ ных, атомов в плазме может быть получена инверсия населенностей.

Эксимерный лазер на практике представляет собой газовую ка­ меру высокого давления (давление до десятков атмосфер). Внутри камеры установлены зеркала с диэлектрическими покрытиями. Воз-

буждение осуществляется импульсным пучком быстрых электронов, который вводится в газ. В некоторых экспериментах использовались импульсы тока 70 кА электронов с энергией 1 МэВ.

В табл. 2.4. приведены несколько эксимеров, на которых получено лазерное излучение и указаны длины волн импульсного режима работы.

в области вакуумного ультрафиолета. Такие лазеры пока что являются экспериментальными устройствами, но они открывают возможность создания высокомощных систем для вакуумного ультрафиолета.

В последнее время большая работа ведется в таких направлени­ ях, как оптические методы обработки и хранения информации, ла­ зерное разделение изотопов и лазерный термоядерный синтез.

Одной из наиболее важных является возможность применения лазеров в области управляемого термоядерного синтеза для топливных элементов ядерных реакторовполучения дейтерия для тяжеловод­ ных реакторов, где лазеры конкурируют с другими средствами осуще­ ствления управляемой термоядерной реакции, среди которых в первую очередь следует назвать системы с магнитным удержанием плазмы. В последние годы их основным представителем является сис­ тема типа «токамак». Лазерное инициирование управляемой термо­ ядерной реакции представляет собой альтернативный путы потенщь

альные возможности которого до сих пор еще недостаточно изучены. В предельном случае этот путь приведет к возможности обеспечения человечества источником энергии на все обозримое будущее.

В термоядерных исследованиях используются неодимовые

и С02-лазеры потому, что только эти два типа лазеров позволяют

внастоящее время получить нужный уровень мощности в очень ко­ ротком импульсе. В то же время очевидно, что неодимовые лазеры не могут быть окончательным типом лазеров для реактора, так как они не могут обеспечить необходимую для энергетической станции частоту повторения импульсов. Длина волны излучения С02-лазера также не является оптимальной. Ряд соображений говорит о том, что предпочтительнее более короткие волны в ультрафиолетовой или голубой части спектра. (Последние эксперименты показали, что при сравнимых величинах плотности мощности лазерного излучения плазма, полученная с помощью неодимового или С02-лазера, имеет сравнимые параметры. Это противоречит предсказаниям теории о предпочтительности коротковолнового излучения для осуществле­ ния управляемой термоядерной реакции.) Поэтому часть программы управляемого термоядерного синтеза включает разработку лазера

Brand X с высокой импульсной мощностью, малой длительностью и большой частотой повторения импульсов. Несмотря на то, что воз­ можный результат этих исследований в настоящее время еще недос­ таточно ясен, несомненно, что поисковые работы по лазеру Brand X представляют собой стимул для новых разработок в области лазер­ ной технологии в течение многих лет.

Лазеры оказывают сильное влияние на развитие систем связи. Волоконно-оптические системы, позволяющие передавать широко­ полосные сообщения, открывают возможность обеспечения необхо­ димых емкостей линий связи в крупных городах.

Лазеры находят широкое применение в сфере обслуживания. Первыми «ласточками» стали видеодиски и системы контроля то­ варных ярлыков.

От объема активной среды зависит количество активных частиц в ней, а следовательно, и потенциальная мощность лазерного излу­

чения. Для каждого типа лазеров существуют ограничения на размер активного элемента, а следовательно, и мощность излучения, связан­ ные с конструктивными трудностями. Например, выращивание каче­ ственного кристалла твердотельного лазера, обеспечивающего вы­ ходную мощность излучения более 300 Вт, неоправданно дорого. Для увеличения мощности лазерных установок выгоднее использо­ вать несколько активных элементов в одном лазере или несколько отдельных лазеров. Например, в установке для лазерного термоядер­ ного синтеза Antares 1 (США) использовали 24 СОг-лазера. При этом общая выходная мощность этой установки достигала 40 Вт (диаметр этой установки более 20 м).

По мнению большинства зарубежных и отечественных специа­ листов, дальнейшее развитие лазерной технологии обработки мате­ риалов связано с использованием твердотельных лазеров. Несмотря на это, технология обработки материалов ССЬ-лазерами хорошо освоена и традиционно широко используется в современном производстве.

Контрольные вопросы

1. Перечислите требования, предъявляемые к лазерному техно­ логическому оборудованию.

2.По каким показателям можно классифицировать лазеры?

3.Опишите метод пространственного разделения молекул

внеоднородных полях.

4.Каков процесс получения инверсной населенности в химиче­ ских методах возбуждения?

5.Как работают лазеры на свободных электронах?

6.Каковы методы возбуждения полупроводников, опишите их.

7.Опишите суть метода внешнего возбуждения многоуровне­ вой системы.

8.Назовите типы квантовых систем, использующих метод возбуждения акустическими колебаниями.

9.Какие процессы опредепяют инверсию населенности с по­ мощью газового разряда? Роль каждого из процессов.

10.Укажите процессы создания инверсной населенности газо­ динамическим методом.

11.Объясните принцип получения инверсной населенности при плазменном методе.

12.Что такое активное вещество лазера, какие активные ве­ щества используются в различных типах лазеров?

13.Особенности активной среды в твердотельных и жидко­ стных лазерах.

14.Перечислите и укажите, как работают различные виды систем накачки в лазерных установках.

15.Какие типы отражатей Вам известны?

16.Перечислите функции оптических систем, как они осуще­ ствляются?

17.Назовите виды газовых лазеров, определите эффектив­ ность ихработы.

18.Каковы особенности энергетической структуры рабочей среды в молекулярных лазерах.

19.Каковы особенности эксимерных лазеров?

20.Каким образом можно изменить длину волны лазерного из­ лучения в химическом лазере?

21.На каком принципе работает рентгеновский лазер?

22.Как работают лазеры на свободных электронах?

22.Укажите преимущества полупроводниковых лазеров перед другими типами лазеров.

23.Объясните процессы, определяющие режим свободной ге­ нерации и режим модулированной добротности.

24.Перечислите системы или конструкции в составе технологи­ ческого лазерного комплекса, необходимые для их надежнойработы.

23.Факторы, определяющие КПД лазеров.

3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ

Возможность получения световых пучков высокой плотности мощности сделало лазер незаменимым инструментом в современ­ ных, высокоэффективных технологических процессах обработки ма­ териалов (резка, сварка, термическая обработка и т.д.). Разработка технологических процессов лазерной обработки твердых непрозрач­ ных тел (металлов, полупроводников, диэлектриков) базируется на физических представлениях о многостадийности трансформации энергии лазерного пучка в процессе воздействия. Обычно выделяют следующие характерные стадии: поглощение и отражение излучения, передача энергии кристаллической решетке твердого тела и нагрев вещества без его разрушения; разрушение материала (плавление, ис­ парение, горение, термоокислительная деструкция и т.д.), ионизация испарившегося вещества и образование плазмы. Это выделение, во­ обще говоря, условно, т.к. фактически многие из перечисленных ста­ дий протекают одновременно. В самом облучаемом материале про­ исходит образование парогазового канала и жидкой ванны, переме­ щение жидкой фазы и кристаллизация после окончания воздействия лазерного излучения. Продолжительность и эффективность протека­ ния этих процессов определяется свойствами лазерного излучения и обрабатываемого материала.

Степень концентрации лазерного излучения на поверхности ма­ териала или плотность мощности излучения q определяет различные процессы и явления взаимодействия излучения с веществом. Схема­ тично можно представить следующие стадии такого взаимодействия (рис. 3.1):

- падение на материал и частичное отражение излучения при q > 0 (см. рис. 3.1, о);

—поглощение и нагрев материала при q < 109 Вт/м2 (см. рис. 3.1,6);

-его плавление при q * 109 Вт/м2 (см. рис. 3.1, в);

-эрозия при q я 10'°-Н0п Вт/м2 (см. рис. 3.1, г); —образование плазмы при q ^ 101 Вт/м2(см. рис. 3.1, Э).

Рис. 3.1. Стадии взаимодействия лазерного излучения с веществом

Все эти эффекты существенно зависят от длительности импуль­ са. Зависимость плотности мощности q от длительности импульса т в разных режимах поведения поверхности обработки материалов по­ казаны на рис. 3.2. Положение разных областей на этой диаграмме для различных металлов несколько изменяется, но характер взаимно­ го расположения областей остается тем же.

Протекание той или иной стадии воздействия определяется не только теплофизическими и оптическими свойствами, состоянием поверхности (шероховатость, наличие оксидных или иных пленок) обрабатываемого лазерным пучком материала, но и параметрами ла­ зерного луча (характером распределения плотности в фокальном пятне, временной структурой, расходимостью, поляризацией, плот­ ностью мощности лазерного пучка в зоне обработки).

Совокупность физических процессов в зоне воздействия опре­ деляется температурой, скоростью и временем нагрева, скоростью охлаждения материала, которые зависят от геометрических и энерге­ тических характеристик лазерного луча, свойств обрабатываемого изделия, технологических схем обработки.

Рис. 3.2. Зависимость плотности мощности лазерного

излучения от длительности импульса т в разных режимах поведения поверхности обработки материалов

Часть лазерного излучения, поглощенная материалом, вызывает нагрев, плавление и испарение материала. Для оценки температур­ ных полей в зоне лазерного воздействия обычно Используется диф­ ференциальное уравнение теплопроводности, решение которого оты­ скивается при соответствующих конкретной задаче краевых услови­ ях. Связь между величинами, участвующими в передаче теплоты, при взаимодействии лазерных потоков с материалами устанавлива­ ется уравнением теплопроводности, в основу вывода которого поло­ жен закон сохранения энергии, сочетаемый с законом Фурье. В слу­ чае неподвижного источника тепла система имеет вид

— = div[<71(г, 0] + Aqv(r,t),

at

qs{r,t) = -'ktpaAT,

где теплофизические коэффициенты с (удельная теплоемкость), р (плотность), Xs (коэффициент теплопроводности) зависят в общем случае от координат, времени и температуры; qv(r, t) - плотность мощности теплового источника, действующего в объеме тела, кото­ рая в общем случае также зависит от температуры; qs(r, t) - тепловой

поток, измеряемый количеством теплоты, проходящей в единицу времени через единицу площади поверхности материала, перпенди­ кулярной направлению потока в рассматриваемой точке, А - погло­ щательная способность среды.

При обсуждении теплофизических процессов материал будет ха­ рактеризоваться такими усредненными теплофизическими величинами, как коэффициент теплопроводности А*, удельная теплоемкость с, коэф­ фициент температуропроводности а, температуры плавления Гп и испа­ рения Г„, удельные энергии плавления £ ули и испарения £уди (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Теплофизические постоянные металлов при различных температурах

Xs - коэффициент теплопроводности, Вт/м-град; а - коэффициент температуропроводности, м“/с;

Гп, Ги - температуры плавления и испарения (°С) £ уд.п;

£ Ул.п - удельные теплоты плавления и испарения, кДж/'моль.

3.1. Падение на материал и частичное

ОТРАЖЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ

электроны в твердом теле полностью свободны, то излучение полно­ стью отражается, поглощение отсутствует. Если электроны частично связаны, то часть энергии передается твердому телу, вызывая его на­ грев за счет джоулева тепла. Весь процесс происходит в тонком слое, поэтому можно говорить о действии света на поверхность.

Следует отметить, что отраженные и поглощенные электромаг­ нитные волны формируются не на границе раздела, а в веществе. При этом для непрозрачных твердых тел доля падающего монохро­ матического излучения, поглощенного телом, определяется его по­ глощательной способностью (в случае нормального падения):

где &отр и А - отражательная и поглощательная способности материа­ ла, т.е. А также можно вычислить по данным измерениям оптических постоянных или комплексного показателя преломления (п ~ показа­ тель преломления среды, / 0 - показатель поглощения), представлен­ ных в табл. 3.2.

При падении лазерного излучения на поверхность материала эф­ фективность полезного использования энергии лазерного луча зависит от соотношения отраженного и поглощенного излучения. О,дна часть излу­ чения, как правило, безвозвратно теряется, другая проникает в материал на небольшую глубину и при поглощении переходит в теплоту.

Коэффициент отражения излучения от поверхности материала R характеризует долю излучения, не участвующую в процессе обработ­ ки, т.е. количество «потерянной» на отражение энергии излучения. Чем меньше его величина, тем выше КПД технологического процесса.