Лекция 17. Лазерная обработка

В начале XX века появилась гипотеза, что обычный свет (семь волн различной длины) может быть получен излучением различных тел или из электрического газового разряда.

Предполагалось, что световые волны строго определенной длины можно получить за счет вынужденного излучения атомов и молекул вещества.В результате появилось новое направление науки - квантовая электроника, которая изучает различные эффекты, связанные с получением и применением электромагнитных колебаний оптического диапазона. С технической точки зрения особый интерес вызывало получение световой волны строго определенной длины.

В 1952 г. Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым был предложен принцип генерации и усиления сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний на основе использования вынужденного излучения. Были созданы квантовые генераторы и усилители волн сантиметрового и дециметрового диапазонов, известные сейчас под названием мазеров.

В 1961 г. был разработан первый образец оптического квантового генератора, в котором в качестве рабочего тела был синтетический рубин. Термин Лазер получился по первым буквам английского выражения: Light Amplification by Stimulated Emisson of Radiation (усиление света с помощью индуцированного излучения).

В 1961 г. были созданы газовые лазеры с рабочим телом из гелия или неона, которые отличались мощностью до сотен кВт и давали непрерывное излучение. Затем появились полупроводниковые лазеры.

Рабочий диапазон излучения оптического квантового генератора охватывает область от ультрафиолетового, с длиной волны 0,3 мкм, до инфракрасного, с длиной волны 300 мкм.

Особое место занимает лазерная технология – использование оптического квантового генератора для нагрева, плавления, испарения, сварки и резки материалов. По плотности потока энергии (до Вт/м²) лазер пока не имеет себе равных.

Светолучевая (лазерная) обработка (СЛО) основана на использовании тепла, генерируемого специально сформированным световым лучом, характеризующимся оптической когерентностью (нерасходимостью в пространстве — сохранением исходных размеров сечения на значительном удалении от источника) и высокой концентрацией переносимой им энергии, плотность которой в месте фокусирования может быть многократно увеличена.

При взаимодействии с веществом подобный луч способен оказывать интенсивное тепловое воздействие, завершающееся почти мгновенным расплавлением и испарением материала в точке фокусирования луча. Эта способность и обусловливает возможность использования лазерного луча для технологических целей. Устройство, применяемое для создания (генераций) луча, носит название оптического квантового генератора, который обычно называют лазером.

Лазер, независимо от конструктивного выполнения, содержит следующие основные элементы:

а) рабочее тело (вещество), состоящее из ансамбля атомов и молекул, для которых может быть создана инверсия населенности (неравновесное состояние вещества);

б) систему, позволяющую осуществлять инверсию;

в) оптический резонатор (струна, стержень), который служит для осуществления взаимодействия излучения с рабочим веществом и в котором происходит отбор энергии от ансамбля генерирующих излучение частиц;

Принципиальная схема твердотельного лазера с оптической накачкой:

1 – активный элемент; 2 – лампа накачки; 3 – блок питания; 4 – резонатор; 5 – блок управления; 6 – механическая система управления; 7 – зеркала резонатора; 8 – корпус лазера; 9 – охлаждение; 10 – излучение лазера

г) устройство для вывода энергии из резонатора;

д) систему управления концентрацией энергии и пространственным положением полученного пучка света;

е) различные специальные системы, связанные с конкретным применением лазера.

Атом вещества, имея определенный запас энергии, находится в устойчивом энергетическом состоянии и располагается на определенном энергетическом уровне. Для выведения атома из устойчивого (стабильного) энергетического состояния его необходимо возбудить.

В твердотельном лазере активным элементом является рубиновый стержень, состоящий из окиси алюминия (), активированного(хрома).

Возбуждение (“накачку”) вещества активного элемента осуществляют световой импульсной лампой накачки. Частота повторения импульса света лампы-вспышки зависит от времени зарядки батареи конденсаторов, а также от условий охлаждения системы рубиновый стержень – резонатор. Импульс света длится до 10^-6 с. Между импульсами интервал длится порядка 1•10^-3…3•10^-6 с.

Возбужденный атом, получив дополнительный фотон от системы накачки, излучает сразу два фотона, в результате чего происходит своеобразная цепная реакция генерации лазерного излучения.

Для рубина поглощаемая кристаллом мощность накачки составляет ~2 кВт на 1см³ объема кристалла. Коэффициент использования световой энергии лампы-вспышки составляет , поэтому ее мощность должна составлять десятки, а то и сотни кВт.

энергии, поглощенной стержнем идет на его нагрев. Чтобы генерация когерентного излучения не прекратилась, стержень нужно охлаждать (воздухом, водой или жидким азотом).

Начавшееся в активном элементе (рубиновом стержне) излучение распространяется по всему объему системы стержень — резонатор и из-за многократного отражения от зеркал вовлекает в процесс генерации когерентного излучения все оптически активные атомы в направлении оси стержня. Часть когерентного излучения выходит через полупрозрачное зеркало 3 из резонатора.

Спустя 0,5 мкс более половины атомов хрома приходит в возбужденное состояние, система становится неустойчивой и вся запасенная в стержне рубина энергия одновременно высвобождается и кристалл испускает ослепительный яркий красный свет – фотоны с длиной волны мкм.

Суммарная мощность рубинового лазера при энергии импульса лампы от 20 до 100 Дж и частоте их повторения до нескольких десятков герц может достигать десятков кВт (длина стержня при этом составляет 200…250 мм, диаметр 15 мм).

Эта энергия выделяется в миллионные доли секунды и сосредотачивается в луче диаметром 10 мкм за счет системы оптических линз. Это обеспечивает температуру в пятне нагрева в пределах 6000…8000 °С. В результате этого поверхностный слой материала заготовки, находящийся в фокусе луча, мгновенно нагревается и испаряется.

Основные операции лазерной обработки:

1. Обработка микроотверстий в заготовках технических камней.

2. Обработка рабочих отверстий в алмазных волоках.

3. Прошивание большого числа отверстий и щелей в листовом материале, изготовление сеток и т.п.

4. Сварка деталей из различных сплавов.

В зависимости от среды, в которой протекают процессы, ведущие к возникновению когерентного светового луча, лазеры делят на твердотельные, жидкостные, газовые. По характеру действия различают лазеры непрерывного излучения и импульсные.

Технологические преимущества лазеров. Использование мощных лазеров дает целый ряд преимуществ, что и определяет их широкое применение.

1. Энергию в виде светового луча можно передавать на расстояние по оптоволоконному кабелю или через прозрачную перегородку.

2. Отсутствует механический и электрический контакт между источником энергии с изделием в месте обработки.

3. Высокая концентрация энергии в пятне нагрева при «острой» фокусировке.

4. Можно плавно регулировать плотность лучистого потока в пятне нагрева за счет изменения фокусировки луча.

5. Высокие температуры в зоне воздействия излучения.

6. Можно получить импульсы как весьма малой длительности, так и непрерывное излучение.

7. Малые размеры зон обработки (до нескольких мкм.).

8. Можно перемещать луч с высокой точностью и скоростью.

9. Мощность луча можно модулировать по требуемому закону.

К недостаткам лазерной обработки относятся то, что технологический процесс необходимо вести в оптически прозрачной среде.