Промышленное применение лазеров

ламп, установленных в фокальных линиях двух или нескольких эл­ липтических отражателей с общей фокальной линией, на которой находится лазерный стержень;

-лампа накачки может быть также выполнена в виде спирали, «обвивающей» активный элемент, с плоскими зеркалами отражателя (например, для активного элемента в виде пластины);

-для накачки можно использовать несколько ламп с отражате­ лями цилиндрической формы или состоящими из нескольких эллип­ тических поверхностей.

Существует множество других схем систем накачки. В настоя­ щее время наиболее распространена прямолинейная конструкция.

Как правило, для накачки твердотельных лазеров используются импульсные газоразрядные лампы, заполненные ксеноном или парами ртути, или галогенные лампы накаливания, в которых лампа заполня­ ется парами йода или фтора, или же смесью различных галогенов. Наиболее распространены лампы с йодным циклом. Галогенные лам­ пы в основном используются для накачки в непрерывном режиме.

Вподавляющем большинстве источников оптической накачки

влазерах, в том числе для технологических установок, используются импульсные ксеоновые лампы, у которых максимумы в спектрах из­ лучения располагаются вблизи полос поглощения в видимой инфра­ красной областях оптического спектра таких лазерных веществ, как рубин или стекло с неодимом.

Срок службы современных импульсных ламп - 105-И06 вспышек. Для создания инверсии активного вещества излучение накачки должно обладать высокой плотностью мощности, а иногда и опреде­ ленным спектральным составом (случай оптической накачки). Накач­ ка может быть импульсной и стационарной (непрерывной). Режимы накачки определяют и режимы лазерного излучения, о которых под­ робнее будет рассказано ниже. Кроме того, от мощности излучения

накачки зависит и выходная мощность лазерного излучения.

Эффективность системы накачки можно определить как отноше­ ние поглощаемого в активном материале лучистого потока к мощно­ сти, потребляемой всеми лампами накачки

В последние годы все чаще для накачки применяют мощные светодиоды, обладающие рядом значительных преимуществ по срав­ нению с лампами. Но их применение пока ограничено из-за доста­ точно высокой стоимости.

Для повышения эффективности накачки применяют различные типы отражателей. В простейшем случае рабочий стержень и лам­ па накачки, расположенные рядом, оборачивают фольгой с алюми­ ниевым, хромовым или никелевым покрытием. В ряде лазеров отра­ жатель выполнен составным из металлических элементов. Полость требуемой конфигурации получают в них фрезерованием с после­ дующими шлифованием и полированием.

Конструктивно такой отражатель может быть выполнен, на­ пример, в виде моноблока из кварцевого стекла в форме эллиптиче­ ского цилиндра. В фокальных осях эллиптического цилиндра выпол­ няют два отверстия: однодля активного элемента, а другоедля лампы накачки. Все лучи, выходящие из одного фокуса эллипса, где расположена лампа, после полного внутреннего отражения от границы стекло-воздух-поверхности эллиптического цилиндра собираются в другом фокусе, где расположен активный элемент. Это увеличивает эффективность накачки и, соответственно, мощность генерации.

Наиболее широкое применение в технологических установках получили осветительные системы с прямой лампой и цилиндриче­ ским отражателем (рис. 2.7). Лампа и стержень устанавливаются вплотную друг к другу в камере с зеркальной поверхностью, мини­ мальный объем и форму которых подбирают экспериментально. Эф­ фективность использования излучения лампы в осветительной сис­ теме с «тесной компоновкой» в 2-КЗ раза выше, чем осветителей с полостными (коаксиальными) лампами.

Высокая симметричность светового поля накачки вместе со зна­ чительной эффективностью использования излучения лампы достига­ ется в осветительных системах, где активный элемент и лампа накачки

устанавливаются последовательно на одной оси, а отражатель пред­ ставляет собой эллипсоид вращения или коническую форму.

В некоторых типах технологических установок используются цилиндрические и эллиптические отражатели, выполненные из стек­ лянных или кварцевых трубок, блоков, имеющие наибольший срок службы и эффективность. Высокая эффективность накачки достига­ ется в том случае, если диаметр эллипса (средний) много меньше, чем длина отражателя, при этом одновременно малы диаметры ла­ зерного стержня и лампы. Внешняя поверхность их покрывается сло­ ем серебра или окиси магния.

Рис. 2.7. Типы осветительных камер лазеров:

а- с отражателем в виде эллиптического цилиндра;

б- круговой цилиндр; в, г - тесная компоновка;

д- с полостной лампой ИФПП-7000; е - эллипсоид вращения;

ж- конусная; з - с кварцевым трубчатым отражателем;

и- кварцевый блок: 1 - активный элемент; 2 - импульсная лампа; 3 - отражающее покрытие

Глухое зеркало изготовляют, как правило, путем нанесения на медную или кремниевую основу отражающих металлических (Ag, Au, Ni+Au идр.) или диэлектрических (As/GeSe идр.) покрытий. В последнем случае можно получать поляризованное лазерное излу­ чение. Чтобы прочность покрытия была высока, на поверхность зер­ кала последовательно наносят тонкие слои металлов, т.е. получают многослойные покрытия. Например, медное зеркало может быть по­ крыто Cr/Au/ZnSe(ThF4/ZnSe)CeF3.

Выходное зеркало сделано из прозрачного диэлектрика, на по­ верхность которого наносят отражающее диэлектрическое покрытие. Это зеркало пропускает только часть излучения, например, имею­ щую определенную поляризацию, а остальное отражает обратно в резонатор, где эта часть излучения, проходя через активную среду, вызывает вынужденные переходы новых частиц, отражается от глу­ хого зеркала, снова проходит через активную среду, попадает на вы­ ходное зеркало, и часть его выходит из резонатора в виде лазерного излучения.

Резонатор описанной конструкции, т.е. состоящий из глухого и полупрозрачного зеркал, называется устойчивым. Так как механи­ ческая прочность диэлектрического зеркала невысока, то при доста­ точно высокой мощности излучения используют два металлических непрозрачных зеркала. В этом случае излучение покидает резонатор только после многократного отражения от его зеркал. Резонатор та­ кой конструкции называют неустойчивым. Он также усиливает мо­ нохроматическое направленное излучение.

Зеркала резонаторов твердотельных лазеров конструктивно мо­ гут быть выполнены как единое целое с лазерным веществом (сереб­ ро напыляется на торцы стержня). Одно из основных требований к зеркалам резонатора заключается в том, чтобы потоки в них были минимальными. В первых образцах лазеров в качестве зеркал ис­ пользовались тонкослойные серебряные покрытия, которые (в ряде случаев) наносились непосредственно на торцы стержня. Потери энергии при таких зеркалах составляли 5-ИО %, а максимальный ко­ эффициент отражения не превышал 9СИ-95 % (в видимой области

спектра). Значительные потери приводят к снижению добротности резонатора и быстрому разрушению зеркал под действием излуче­ ния. Например, зеркала или торцы с нанесенными серебряными по­ крытиями выдерживали не более нескольких сотен вспышек при энергии излучения, не превышающей 1 Дж.

Резонаторы различают по конструкции зеркал (например, пло­ ские, симметричные, конфокальные), по форме отражающих поверх­ ностей (резонаторы со сферическими и асферическими зеркалами), по расположению зеркал относительно активного элемента (внешние и внутренние).

Внешние представляют собой отдельные зеркала или другие элементы (например, призмы полного внутреннего отражения), между которыми располагают активный элемент. В современных технологи­ ческих установках используются внешние выносные зеркала с многослойными диэлектрическими покрытиями, образованными че­ редующимися прозрачными слоями с различными коэффициентами преломления. Так, для видимой части спектра используются такие ве­ щества (соединения), как сульфид цинка ZnS и криолит Na3AlF6. Ко­ эффициент отражения зеркала растет с увеличением числа слоев. Полупрозрачные зеркала (30+50 %) состоят из 3+7 диэлектрических слоев, непрозрачные глухие зеркала (А^ > 99 %) имеют 15+17 слоев, при этом коэффициент поглощения не превышает 0,1+0,3 %.

Внутренние зеркала составляют с активным элементом единое целое и могут выполняться, например, путем нанесения отражающих покрытий на торцы активного элемента. При этом, несмотря на су­ щественное упрощение конструкции излучателя и повышение его механической надежности, срок службы покрытий оказывается не­ значительным вследствие нагрева от импульсной лампы, а интенсив­ ное охлаждение активного элемента может разрушить диэлектриче­ ские покрытия из-за появления на них влаги.

Для повышения качества изделий металлооптики (лазерных зеркал) необходимо принятие следующих мер: уменьшение термо­ деформаций выбором соответствующих материалов для подложки, а также совершенствованием конструкции систем охлаждения зер­

кал; нанесение защитных и отражающих покрытий, что позволяет длительное время поддерживать высокое качество отражающей по­ верхности; совершенствование технологии финишной обработки оп­ тических поверхностей.

В современных мощных твердотельных лазерах используют модульный принцип, т.е. в один резонатор можно помещать не­ сколько активных элементов со своими отражателями. Это позволяет варьировать выходную мощность излучения в широких пределах. Например, в одном и том же лазере при использовании одного ак­ тивного элемента возможно получение выходной мощности 300 Вт, а с шестью - около 2 кВт.

Работа лазера в периодическом режиме с большой частотой по­ вторения импульсов излучения приводит к изменению свойств резо­ натора вследствие термического деформирования стержня, который делается подобным положительной линзе. При этом резонатор с пло­ скими зеркалами оказывается эквивалентным сферическому, что приводит к повышению его добротности для высших типов колеба­ ний и возрастанию числа генерируемых мод. Вследствие этого (в пе­ реходном и установившемся режиме работы лазера) увеличиваются энергия излучения, его расходимость, длительность импульса, что наиболее существенно для неодимового лазера, нагрев активного элемента которого слабо сказывается на спектрально-люминесцент­ ных характеристиках.

Для обеспечения оптимальной температуры активной среды и достаточно низкой температуры узлов конструкции технологиче­ ского лазера (зеркала резонатора лазера, элементы формирующей оптической системы и другие), гарантирующей большой ресурс его работы, используется система охлаждения. Системы охлаждения представляют собой, как правило, трубки с прокачиваемой по ним охлаждающей жидкостью.

Оптическая система предназначена для формирования потока излучения, а также для наводки излучения на обрабатываемое место, для контроля процесса обработки и оценки (изменения) ее результа­ тов, состоит из двух подсистем - энергетической и наблюдательной.

Другими словами, оптическая система служит для транспортировки, фокусировки излучения (СТФИ) и наблюдения.

Оптические системы выполняют следующие функции: переда­ ют энергию лазерного излучения к месту обработки, регулируют па­ раметры излучения, формируют пучки с высокой плотностью мощ­ ности, наводят излучение на обрабатываемую точку, контролируют процесс обработки материала. Изменение направления пучка произ­ водят призмами полного внутреннего отражения или интерференци­ онными зеркалами. Защиту объектива от паров, капель, плазмы, аэ­ розолей осуществляют с помощью прозрачной движущейся ленты, струи воздуха, электромагнитных полей и т.д.

Фокусировка лазерного излучения

Лазерное излучение энергетически воздействует-на материал. Излучение, генерируемое лазером, является мощным и направлен­ ным, но этого недостаточно для его использования в процессах обра­ ботки материалов. На выходе лазера мы имеем пучок диаметром в несколько миллиметров с определенной расходимостью, опреде­ ляемой конструкцией резонатора. Упрощенно можно представить, что луч выходит из лазера в виде усеченного конуса, образующие которого составляют с направлением распространения излучения определенный угол, называемый углом расходимости излучения. Расходимость луча газовых лазеров составляет несколько угловых секунд, твердотельных- 1+20 мин, полупроводниковыхдесятки градусов. Для того чтобы лазерное излучение можно было использо­ вать для обработки материалов, т.е. увеличить плотность мощности излучения в зоне обработки, необходимо уменьшить расходимость луча. Этого достигают фокусировкой лазерного луча.

Технологические возможности лазера во многом определяются минимальным размером сфокусированного пучка. Весьма важным для технологического применения является обеспечиваемая фокуси­ рующей системой глубина резкости пучка, т.е. размер перетяжки пучка в направлении его распространения.

Лазерное излучение является монохроматическим, поэтому его можно сфокусировать в пятно минимальных размеров, ограниченное

лишь явлением дифракции (порядка длины волны). В реальных сис­ темах, конечно, присутствуют различные факторы, приводящие к увеличению этого размера, например искажение излучения оптиче­ скими системами (оптические аберрации).

Зона сфокусированного излучения представляет собой некую область, называемую каустикой. Например, в случае одномодового (Гауссова) распределения интенсивности / минимальный диаметр dn каустики (пятна фокусирования) в зависимости от длины волны X и фокусного расстояния F оптической системы (рис. 2.9) определит­ ся из выражения

где d - эффективный диаметр лазерного пучка, в пределах которого интенсивность 1о излучения изменяется в е раз; 0 - расходимость излучения.

При этом глубина фокуса z, или часть каустики, в пределах ко­ торой d„ изменяется на ±5 %, будет равна:

0,32 л d 2

0/2

I

F

Рис. 2.9. Схема фокусирования лазерного излучения (Д/7 - смещение обрабатываемой поверхности относительно

фокальной плоскости сфокусированного излучения)

Чем ниже порядок моды, тем в меньшее пятно может быть сфо­ кусировано излучение линзой, тем больше глубина фокуса для дан­ ной линзы и легче управление излучением.

Для большинства технологических процессов плотность мощ­ ности излучения непосредственно на выходе из лазера не является достаточной. В непрерывных лазерах эта величина не превышает 103-Ч04 Вт/см2, и поэтому лазерный луч приходится фокусировать. В этом случае средняя плотность мощности на обрабатываемом из­ делии возрастает и может достигать:

Р

где rmin - минимальный характерный радиус пятна фокусировки.

Для фокусировки излучения твердотельных лазеров можно ис­ пользовать многолинзовые оптические системы с просветляющими покрытиями, что практически исключает потери излучения за счет отражения от поверхностей линз. В таких системах возможно ис­ правление всех аберраций, а следовательно, и получение диаметра пятна излучения в плоскости обработки, близкого к дифракционно­ му. Поэтому, хотя твердотельные лазеры и обладают меньшей вы­ ходной мощностью, чем СОг-лазеры, при их применении можно дос­ тичь аналогичных значений плотности мощности в зоне обработки. Кроме того, излучение с меныией длиной волны лучше поглощается материалом, что приводит к более высокой эффективности техноло­ гических процессов.

Транспортировку лазерного излучения до обрабатываемой по­ верхности производят с помощью оптических систем: линзовых, зер­ кальных или волоконно-оптических световодов (рис. 2.10).