2814

- за счет каскадного перехода при соударениях на лазерный метастабильный уровень (0,3 эВ) с более верхних после возбуждения электронами.

Наиболее часто используется накачка за счёт газового разряда. Мощность СО2-лазеров в непрерывном режиме достигает десятков киловатт, а в импульсном - сотен мегаватт, длина волны излучения обычно составляет 10,6 мкм.

Особенностью CO2 лазера является:

1)генерация в инфракрасном диапазоне (λ = 10,6 мкм);

2)высокий кпд (до 60 %);

3)высокая мощность излучения (несколько тысяч кВт в импульсном и десятки кВт в непрерывном режиме).

В силу генерации инфракрасного излучения возникают трудности с технической реализацией оптических элементов. Зеркала изготавливают из тугоплавких металлов, линзы и выходные окна - из кристаллов поваренной соли, германия, арсенида галлия и других материалов.

Разновидностями CO2 - лазеров являются:

1)отпаянный лазер - герметичная трубка заполнена смесью газов CO2 : N2 : He =1 : (1…2) : (3…5) при давлении около

1кПа;

2)газодинамические CO2 - лазеры— с прокачкой горячих молекул CO2 через теплообменник;

3)лазер с медленной прокачкой (скорость газового потока около 1 м/с);

4)лазер с быстрой прокачкой (скорость газового потока около 30 м/с).

Химические лазеры. В химических лазерах генерация электромагнитного излучения происходит в результате протекания химических реакций. Так при взаимодействии фтора и водорода (дейтерия), активированным нагретым в дуговом разряде азотом, создается инверсная заселенность возбужденных молекул HF или DF, обеспечивающая лазерное излучение на длинах волн 2,6 - 3,5 или 3,6 - 5 мкм.

Вхемолазерах с переносом энергии возбужденные молекулы фтористого водорода или дейтерия передают свою

110

энергию молекулам углекислого газа, и наблюдается лазерное излучение последних на длине волны 10,6 мкм. Известны химические лазеры, работа которых инициируется ударной или взрывной волной, а также электрическим разрядом. Фотодиссоционные лазеры также являются частным случаем химических лазеров. Основным процессом, приводящим к появлению инверсной заселенности в хемолазере, является химическая реакция, в результате которой образуются атомы, молекулы или радикалы в возбужденном состоянии. Наиболее известным является хемолазер на фотодиссоциации молекул

CF3J.

Газодинамические лазеры. Газодинамический лазер

(ГДЛ) с тепловой накачкой и смещением газов в камере сгорания являющийся разновидностью молекулярных лазеров.

Активное вещество газодинамического лазера представляет собой смесь азота и двуокиси углерода. Инверсная заселенность энергетических уровней в этом лазере создается за счет дифференцированной колебательной релаксации, вызываемой столкновением молекул в процессе сверхзвукового расширения газа. Согласно теоретическим расчетам, газодинамические лазеры способны создавать непрерывное лазерное излучение мощностью в несколько тысяч киловатт. В газодинамическом лазере применяется тепловая накачка за счет сгорания окиси углерода и реактивный принцип истечения активного вещества.

В газодинамическом лазере инверсная населенность энергетических уровней достигается за счет колебательной релаксации, вызываемой столкновением молекул в процессе сверхзвукового расширения газа и резким снижением его температуры и давления за время, гораздо меньшее, чем это требуется для релаксации верхних энергетических уровней. Схема лазера, в котором реализуется данный способ получения инверсной населенности, показана на рис. 3.12. В камеру сгорания А поступает жидкое топливо и окислитель. При сгорании топлива образуется углекислый газ СО2. Горячий газ смешивается с азотом и водяными парами, в

111

результате чего образуется высокотемпературная (Т = 1400 К) газовая смесь. В этой разогретой смеси ее молекулы CO2 возбуждаются и переходят на более высокие уровни. Тепловое равновесие системы достигается уже при более высокой населенности верхних уровней возбужденными молекулами, чем это имеет место при обычной температуре. Однако число молекул на нижних уровнях все же превышает их число на верхних, поэтому индуцированное излучение отсутствует. Для создания инверсной населенности необходимо обеспечить условия, при которых нижние уровни обедняются, а верхние сохраняют свою населенность.

Рис. 3.12. Газодинамический лазер

С этой целью разогретая смесь газов под большим давлением прокачивается со сверхзвуковой скоростью через сопло. В камере Б происходит быстрое расширение газовой смеси, сопровождающееся ее охлаждением до Т = 354 К, что вызывает уменьшение числа возбужденных молекул CO2. Но вследствие того, что верхний уровень возбуждения имеет большее время жизни (время нахождения на нем молекул

112

CO2), чем нижний, населенность нижнего уровня падает быстрее, чем верхнего, и уже на расстоянии 3 см от сопла она практически исчезает. Возникает инверсная населенность, приводящая к индуцированному излучению на длине волны

= 10,6 мкм. Это условие сохраняется и в камере резонатора.

Влазерах этого типа, построенных по схеме рис. 3.12, мощности генерации составляли около 60 кВт, а в импульсном режиме с длительностью импульса 4 с среднее значение мощности достигало уже 400 кВт. К недостаткам данной схемы следует отнести то, что в камере сгорания вместе с

азотом охлаждаются другие компоненты смеси (CО2, H2O или Не), и поэтому молекулы этих газов действуют как примеси, уменьшая эффективность накачки. Кроме того, газовую смесь необходимо нагреть до максимальной температуры. Однако

критическая температура для CO2, при которой начинается диссоциация молекул, лежит в области Т = 2300 К, а диссоциация азота происходит при Т > 4000 К. Поэтому предварительное смешение газовой смеси или получение ее в камере сгорания не использует всех потенциальных возможностей данной активной среды.

Первый газодинамический лазер развивал мощность генерации в непрерывном режиме около 60 кВт. Существуют газодинамические лазеры, мощность которых превышает 200 кВт. Газодинамические лазеры имеют кпд порядка 10 - 15 %. Одним из способов повышения кпд газодинамических лазеров является применение замкнутого цикла, при котором отработавшая (но еще горячая) газовая смесь возвращается обратно в камеру сгорания или другой источник нагревания. К недостаткам газодинамических лазеров следует отнести их большие габариты, потребление большого количества горючего, сильный шум при работе. Дальнейшим развитием газодинамических лазеров являются электроаэродинамические лазеры, в которых возбуждение молекул азота осуществляется в электрической дуге. Кпд таких лазеров достигает 30 %, а выходная мощность - до 100 кВт.

113

Электроионизационные лазеры. Накачка в таком лазере создается с помощью электронного пучка высокой энергии (>100 кэВ), вводимого в активную среду через тонкую алюминиевую фольгу. В качестве активной среды обычно используется смесь азота и углекислого газа. В этих лазерах достигается очень высокая энергия в импульсе при кпд до

50 %.

3.4.3. Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковый диод - основной элемент полупроводникового лазера. Действие лазера основано на том, что при прямом смещении электроны инжектируются в p- область, где происходит их излучательная рекомбинация с имеющимися там дырками. Для создания состояния с инверсией заселенностей необходима большая концентрация дырок в валентной зоне, что достигается увеличением концентрации легирующей акцепторной примеси. Для того, чтобы инжекция электронов в p-область превышала инжекцию дырок в n-область (где рекомбинация безизлучательная, а, следовательно, ток дырок в n-область целиком относится к потерям), необходимо, чтобы концентрация донорной примеси в n-области была выше концентрации акцепторной примеси в p-области. Излучателем является узкая часть p-области, прилегающая к р-n-переходу. Конструкция лазерного диода показана на рис. 3.13. Зеркалами являются гладкие грани самого полупроводникового кристалла, получаемые обычно скалыванием или полировкой его краев.

Вынужденное излучение происходит параллельно р-п- переходу. Типичные размеры лазерного кристалла (мкм): длина - 100 - 500; ширина 200 - 400; высота 80 - 100; толщина области рекомбинации 1 - 3.

114

уширены, что переходы между электронными состояниями в спектре флуоресценции образуют широкие полосы. Создание инверсии заселённостей происходит с помощью оптической, в том числе лазерной накачки. Лазеры на красителях генерируют электромагнитное излучение в спектральном диапазоне от 0,32 до 1,22 мкм. Из-за того, что при оптической накачке много энергии уходит в тепло, кпд этих лазеров невысок, порядка 1 %. Обычно жидкостные лазеры работают в импульсном режиме. Наиболее важным свойством лазеров на красителях является возможность перестройки частоты излучения в широких пределах (с одним красителем несколько десятков нанометров). Перестройка частоты может осуществляться изменением состава, концентрации и температуры раствора.

116

4. ПРОЦЕССЫ И ТЕХНОЛОГИИ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ

4.1. Взаимодействие лазерного излучения с веществом

Использование лазеров в технологических процессах связано с воздействием сфокусированного или несфокусированного лазерного излучения на поверхность твердого тела. Это воздействие может инициировать поверхностные химические реакции, приводить к нагреванию твердого тела или создавать ударную волну. Наиболее распространенными в технологии являются процессы, связанные с нагревом твердого тела. В общем случае эти процессы могут быть представлены следующими стадиями:

1)поглощение света и последующая передача энергии внутрь тела;

2)нагревание материала;

3)изменение агрегатного состояния вещества (плавление, испарение, сублимация, термодеструкция);

4)удаление материала из зоны воздействия;

5)остывание материала после прекращения облучения. Характерное время протекания каждой из этих стадий за-

висит от физико-химических характеристик облучаемого материала, длины волны и энергетических параметров излучения.

Следует отметить, что теплофизическая постановка задачи справедлива только до плотности мощности порядка 109 Вт/см2. При более высоких плотностях мощности необходимо использовать теорию взрыва, когда основным действующим фактором становится ударная волна.

Лазерное излучение, падающее на поверхность образца, интенсивно поглощается в очень тонком слое 1 – 2 мкм. Выделившееся тепло проникает вглубь материала за счет теплопроводности. Лазерное излучение с критической плотностью, попадая на поверхность материала, нагревает его со скоростью, существенно превышающей скорость отвода теплоты за счёт

117

теплопроводности, конвекции и обратного излучения. Начинается испарение, и на поверхности формируется лунка, которая развивается вглубь материала, и приводит к образованию канала, заполненного парами материала. После достижения на поверхности температуры плавления вглубь материала перемещается фронт расплава. Появляется жидкая фаза. Если позволяет плотность мощности, образуется плазма, экранирующая луч от дна отверстия. Из-за кратковременности процесса взаимодействия (около 10−3 с) испарение носит характер взрыва. Одновременно с началом образования канала над поверхностью материала появляется светящийся факел, состоящий из продуктов испарения и выброса, а также частиц конденсированного пара. Этот факел снижает интенсивность излучения из-за поглощения и дефокусировки излучения. При соответствующей скорости перемещения луча канал приобретает динамическую устойчивость и распространяется вглубь материала. На передней стенке канала происходит плавление материала, а затем затвердевание. Наличие канала даёт возможность лазерному излучению проникать в материал на некоторую глубину.

Заключительная стадия формирования лунки может быть различна.

1.При свободной генерации импульс лазера состоит из множества пиков, причем в конце импульса они даже не сливаются друг с другом, энергия их недостаточна для испарения. Это вредное явление приводит к образованию жидкой фазы после испарения. Появляются наплывы материала на внутренних стенках отверстия.

2.В режиме «модулированной добротности» при генерации лазером коротких импульсов с крутыми фронтами жидкая фаза на заключительной стадии формирования отверстия не образуется. Форма отверстия получается близкой к цилиндрической.

Из сравнения выходных параметров различных типов лазеров можно заключить, что для технологической обработки

материалов, требующей высокой мощности, наиболее

118

подходящими являются инфракрасные лазеры на молекулах диоксида углерода и твердотельные лазеры на неодимовом стекле и алюмоиттриевом гранате. Из лазеров средней мощности, излучающих в видимой области спектра, следует отметить ионные аргоновые лазеры и лазеры на парах металлов. Наиболее эффективными источниками ультрафиолетового излучения являются азотные и эксимерные лазеры. Маломощные гелий-неоновые и полупроводниковые лазеры используются как инструмент технологического контроля. Жидкостные лазеры, основным преимуществом которых является возможность перестройки частоты в широких пределах, наиболее полезны при проведении резонансных процессов, например, в фотохимии.

4.2. Лазерные технологические установки

При реализации технологических процессов используются различные виды лазерных установок, но в любой из них можно выделить ряд типовых элементов. Типовая лазерная технологическая установка включает в себя следующие основные элементы (рис. 4.1):

-технологический лазер;

-систему отклонения и фокусировки луча;

-систему наблюдения;

-оснастку для крепления и перемещения детали;

-средства контроля за параметрами процесса.

Взависимости от параметров технологического процесса

вкачестве технологического лазера могут использоваться твердотельные или газовые лазеры.

Срок службы технологических лазеров до замены активного элемента зависит от длительности работы осветителя излучателя лазера. Увеличение эффективности концентрации излучения на активном элементе позволяет работать при меньших электрических нагрузках осветителя, что увеличивает срок службы установки. Наиболее широкое распространение в установках с активными твердотельными элементами

119