книги из ГПНТБ / Применения лазеров

290 Л. А. Вивер

Стержень и лампа охлаждаются проточной деионизи­ рованной водой. Лампа накачки поджигается при разряде конденсаторов-накопителей, и поглощенная лазерным стер­ жнем световая энергия создает требуемую инверсию насе­ ленности. Обычно концы стержня полируются и покрывают­ ся многослойным диэлектрическим отражающим покры­ тием; иногда используются внешние зеркала. Импульс излучения выходит через полупрозрачное покрытие на одном из концов стержня.

Интенсивность и длительность импульса световой на­ качки определяют энергию и длительность импульса лазер­ ного излучения. Генераторы этого типа обеспечивают энер­ гии до 400 Дж и длительности от 0,1 до 10 мс. Импульсы дли­ тельностью более 1 мс желательны для сварочных установок и значительная часть коммерческих лазеров обеспечи­ вает получение импульсов длительностью такого порядка. Для осуществления режима модуляции добротности в резо­ натор помещается электрооптический модулятор с синхрон­ ным управлением. Импульсные мощности генерации в этом режиме достигают 109 Вт. Типичные значения угла расходимости излучения и к. п. д. соответственно равны

1 мрад и 0,1— 1%,3

3. 2. Лазер на стекле с неодимом

Стекло с неодимом используется в качестве лазерного материала [9, 22, 60] с 1961 г. и в настоящее время обеспе­ чивает наибольший уровень импульсной мощности по сравнению с другими активными материалами [33]. Обыч­ но для этой цели применяется бариевый крон или силикат­ ное стекло. Длина стержней достигает 180 см. Неодимовое стекло сравнительно дешево и обладает хорошими оптичес­ кими характеристиками.

Образцы стеклянных стержней с полированными плос­ кими и призматическими торцами показаны на фиг. 8. Ион неодима имеет активный переход на волне 1,06 мкм и расположение его энергетических состояний соответствует четырехуровневой схеме. Хотя пороговые уровни накачки невелики, малая теплопроводность материала ограничи­ вает возможность получения высоких средних мощностей

292 Л. А. Вивер

на рубине (см. фиг. 7). Стержень активного материала и лампа накачки расположены параллельно внутри осве­ тителя. Запасенная конденсаторами энергия разряжается на ксеноновую лампу высокого давления. Диэлектрические покрытия на торцевых поверхностях стержня выполняют функцию зеркал.

Лазеры на стекле обеспечивают генерацию коротких импульсов с очень высоким уровнем энергии [66]. На лазер­ ных стержнях длиной 1 м и диаметром 30 мм при исполь­ зовании четырех ксеноновых ламп накачки были получены рекордные энергии 5000 Дж [65, 66]. Длительность импуль­ са генерации определялась импульсом накачки и состав­ ляла около 3 мсек. Высокие значения энергии и длинные импульсы излучения благоприятствуют применению этих лазеров для импульсной сварки металлов.

Модуляцию добротности можно осуществлять несколь­ кими способами и получать при этом [24, 48, 61] пиковые значения мощности вплоть до 5 -1010 Вт. Гобели [33] в сис­ теме генератор—усилитель на стеклянных стержнях полу­ чил мощность 1,7-1013 Вт. На стекле с неодимом были полу­

2 -ІО17 Вт/см2-стерад [35, 57]. Из сказанного следует, что лазеры на стекле с неодимом превосходят все остальные лазеры по импульсной мощности и яркости. Благодаря этим качествам, а также доступности активного материала лазеры на стекле с неодимом широко используются для сварки и размерной обработки, а также для исследований в области термоядерного синтеза и многофотонной иони­ зации газа.3

3. 3. Лазер на гранате

Одним из лучших материалов для легирования ионом Nd3+ оказался иттрий-алюминиевый гранат (Y3Al5Ol2)—ИАГ. Этот материал является в известной степени уникальным, так как обладает хорошей теплопроводностью, хорошими оптическими характеристиками, большой твердостью и прочностью. К сожалению, пока не удается выращивать стержни длиной более 12 см (и, кроме того, он весьма дорог).

Это ограничивает мощность и энергию лазера на ИАГ, тем не менее он является единственным твердым лазерным ма­ териалом, на котором удалось получить в непрерывном режиме мощность 1100 Вт. Благодаря использованию в гра­ нате иона Nd3+ пороги накачки сравнительно малы. Переизлучение ионом Nd3+ энергии лампы накачки в гранате происходит точно так же, как и в стекле с неодимом. Для генерации в непрерывном режиме используется мощная лампа накачки. На фиг. 9 показана конструкция одного

Ф и г . 9. Конструкция излучателя на ИАГ—Nd3+, работающего в непрерывном режиме. На рисунке видны стержень и лампа на­

качки внутри сферического отражателя [21].

/ — лазер; 2 — отражатель; 3 — охлаждение; •/— лампа.

из типов излучателя со сферическим позолоченным отра­ жателем. Гранатовый стержень небольшой длины помещал­ ся в центре сферы-отражателя диаметром от 10 до 25 см. Такая конструкция обеспечивала большой к. п. д. исполь­ зования (до 86%) энергии лампы накачки [21]. Типичные размеры лазерных стержней: диаметр 3—5 мм, длина 30— 75 мм. Размеры разрядной части лампы накачки прибли­ зительно такие же.

Для накачки ИАГ могут быть использованы три типа ламп: лампы накаливания с вольфрамовой нитью, лампы

криптоновые. Вольфрамовые лампы накаливания имеют непрерывный спектр излучения с эквивалентной темпера­ турой черного тела около 3200 К, и лишь незначительная доля этой энергии попадает в полосы поглощения ИАГ. Кроме того, нить накаливания этих ламп очень непрочна. Эго ограничивает область применения ламп накаливания, которые используются лишь в маломощных лабораторных генераторах. Лучшие результаты получаются при исполь­ зовании более надежных дуговых ламп, спектром которых можно управлять, изменяя режим питания или вводя соот­ ветствующие примеси. В частности, была показана возмож­ ность хорошего согласования спектра поглощения ИАГ с излучением дуговой лампы, наполненной парами калия и ртути [47]. Яркостная температура дуги составляла около

4000 К.

Вследствие высокой рабочей температуры и химической активности паров калия в этих лампах в качестве материа­ ла для баллона оказалось необходимым использовать сапфир. С этими лампами накачки полный к. п. д. генератора дости­ гал 2,4%, а мощность излучения 10 Вт. Эти лампы эффек­ тивны, но пока еще имеют малый срок службы и сравнитель­ но дороги. Охлаждаемые водой ксеноновые и криптоновые лампы дают лучшее согласование спектров, чем лампы на­ каливания, и работают при высоких уровнях мощности. Некоторым исследователям [44—46] с помощью криптоно­ вых ламп удалось получить мощность свыше 100 Вт на одном стержне в непрерывном режиме. Наилучшее дости­ жение в этой области [64] 1100 Вт, а промышленные гене­ раторы дают до 250 Вт при к. п. д. 2,1% [44, 45]. В этих юлучателях используются двойные эллиптические отра­ жатели, схематически показанные на фиг. 10. Две лампы накачки располагаются вдоль общей фокальной оси. Угол расходимости излучения составляет около 12 мрад, что позволяет получить в фокальном пятне при F = 25 мм плотность мощности 2 -ІО5 Вт/см2 на волне К — 1,06 мкм. Этой плотности мощности оказывается достаточно, чтобы резать металлическую фольгу и испарять многие мате­ риалы. Мощность гранатовых лазеров в настоящее время лимитируется не лампами накачки, а активным материалом. Возникающие термонапряжения значительно увеличивают

расходимость луча и приводят к разрушению кристалла. Модуляция добротности с помощью вращающегося зер­ кала при накачке лампами накаливания позволила полу­ чить импульсную мощность 6 кВт при частоте повторения импульсов 1200 Гц [59]. При использовании оптико-акус­ тического затвора [18] частота достигала 5 кГц при мощ­ ности 1 к В т 1*. Гранатовые лазеры в импульсном и непрерыв-

з

Ф и г . 10. Расположение лазерного стержня и ламп накачки в двойном эллиптическом отражателе.

/ — Кг - лампа; 2 — лазерный стержень; 3 — двойной эллиптический цилиндр с

высоким коэ44ициентом отражения.

ном режимах находят широкое применение для технологи­ ческих целей вследствие простоты управления режимом работы и компактности, а также высокой средней мощнос­ ти в ближней инфракрасной области спектра2*.

4. СПОСОБЫ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

Традиционные методы обработки связаны с различными формами воздействия механической или химической энер­ гии на материал. В последнее время получили развитие методы «направленного источника энергии?), не предпола-

і> Частота модуляции может быть увеличена до 30 кГц (мо­ дель 602 фирмы Quantronix Согр.).— Прим. ред.

2) В приложении 3 даны более подробные сведения о современ­ ном состоянии мощных лазеров и лазерных технологических уста­ новок.— Прим. ред.

296 Л. А. Вивер

тающие наличие непосредственного контакта между источ­ ником энергии и материалом. К числу таких источников относятся мощные лазеры, электронный луч и ультразвуко­ вые генераторы, обеспечивающие на поверхностях, удален­ ных от самих генераторов, плотность мощности свыше 10е Вт/см2. Это позволяет отказаться от применения режу­ щего инструмента, сверл, абразивных кругов, пламен, химикалиев и электродов в ряде промышленных операций и тем самым снизить эксплуатационные затраты и трудоем­ кость. В связи с этим желательно исследование изменений свойств материалов при воздействии «термических» ис­ точников энергии с плотностью мощности выше 105 Вт/см2. Мы рассмотрим лишь явления, представляющие интерес с точки зрения размерной обработки и сварки, хотя при тепловом воздействии наблюдается много других интересных эффектов (смещение края полосы оптического поглощения, изменение показателя преломления, электропроводности и др.)

Плавление, Если к твердому телу подвести достаточное количество тепла, его температура достигнет точки плав­ ления Тм■ Твердое тело переходит в жидкое состояние, если к нему подвели дополнительное количество тепла, рав­ ное теплоте плавления Wp . Резание и сверление осущест­ вляют в том случае, если жидкая фаза удаляется под дей­ ствием силы тяжести, конвективного потока или газовой

(фиг. 11). Сварка происходит при затвердевании жидкой фазы в месте стыка двух деталей [54].

Испарение. Жидкость, образуемая при плавлении твер­ дого тела, может быть нагрета до температуры испарения Те ■Превращение жидкости в газ или пар происходит при подведении к жидкости теплоты испарения We . Образую­ щиеся пары могут быть удалены из области нагрева стру­ ей инертного газа.

Распыление. При испарении жидкой расплавленной массы материала отдельные капли приобретают значитель­ ную кинетическую энергию, достаточную для преодоления сил поверхностного натяжения. Доля этой капельной фракции в испаряемом материале часто бывает значитель-

Ф и г . 11. Блок плексигласа, разрезанный сфокусированным лу­ чом С 02-лазера [37].

ной, и она является причиной образования кратера вокруг нагретой зоны.

Испарение связанной воды. Многие материалы, напри­ мер древесина и минералы, содержат связанную или крис­ таллизационную воду. Интенсивный нагрев разрушает молекулярные связи и может привести к испарению воды и других жидких компонентов. Эти легко испаряемые про­ дукты создают высокое внутреннее давление и приводят к образованию микротрещин и выбросу частиц материала.

Нагрев связанных газов. В пористых материалах со­ держится много газа, который при тепловом расширении создает высокое внутреннее давление. Эти силы необрати­ мо изменяют свойства материала. На фиг. 12 в качестве примера показано поперечное сечение деревянного бруса толщиной 18 мм, разрезанного со скоростью 20 см/мин сфо­ кусированным лучом С02-лазера.

Химические реакции. Интенсивный нагрев может сти­ мулировать необратимые химические реакции, которые приводят к уменьшению прочности или удалению части

Ф и г . 12. Поперечное сечение деревянного бруска, разрезанного лучом С 03-лазера [37].

материала. При окислении твердые тела и жидкости пре­ вращаются в летучие газы, которые легко удаляются из нагретой области. Экзотермическая реакция между сталью и струей кислорода, инициируемая концентрированным тепловым источником, позволила осуществить новый способ резания стали [2, 62]. Продукты химических реакций, как правило, имеют рыхлую структуру и больший объем, чем основной материал. Это приводит к термораскалыванию материала вследствие возникновения растягивающих на­ пряжений.

Фазовые превращения. Концентрированный нагрев мо­ жет вызвать фазовые превращения в структуре, например переход a -модификации кварца в ß-модификацию [13]. Эти изменения обычно сопровождаются ослаблением мате­ риала и значительными внутренними напряжениями.

Термонапряжения. Возникающие при локальном нагре­ ве градиенты температуры могут привести к термораскалы­ ванию материала. Это является следствием положительных значений коэффициентов теплового расширения для большей части твердых веществ. Термонапряжения могут быть ис­