7. Лазерная обработка материалов

Термин Лазер получился по первым буквам английского выражения: Light Amplification by Stimulated Emisson of Radiation (усиление света с помощью индуцированного излучения).

1. Физические основы лазерной обработки

Если частота f и длина волны λ постоянны и не зависят от времени τ, то волна монохроматична.

Если амплитуда, частота, фаза, направление распространения и поляризация электромагнитной волны постоянны во времени или изменяются по определенному закону, то такая волна когерентна.

Чем короче длина волны, тем меньше расходимость параллельных пучков энергии этих волн.

Для монохроматического излучения теоретически достижимый диаметр сфокусированного луча составляет 0,4…1 мкм (но из-за отсутствия идеальной монохроматичности и когерентности луча этот диаметр несколько больше).

2. Основная схема лазеров

Любой лазер независимо от конструктивного выполнения содержит следующие основные элементы;

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

2) систему, позволяющую осуществлять инверсию;

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

4) устройство для вывода энергии из резонатора;

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

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

Для инверсии населенности в лазерах применяют следующие виды накачки:

– оптическую накачку за счет облучения вещества мощным световым потоком;

– электрическую накачку (прохождение через вещество электрического тока);

– химическую накачку, когда инверсия возникает за счет химической реакции, в которой принимает участие рабочее вещество.

В зависимости от режима лазеры делятся на: работающие в непрерывном и импульсно-периодическом режимах.

Рисунок 7.1 — Схема твердотелого лазера

1 – зеркало с плотным непрозрачным слоем серебра; 2 – рубиновый стержень; 3 – зеркало посеребренное (коэффициент пропускания света ~ 8%); 4 — газоразрядная лампа — вспышка; 5 – отражающий кожух с поперечным сечением в форме эллипса; 6 – высоковольтная батарея конденсаторов; 7 – источник питания; 8 — система оптических линз; 9 – заготовка.

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.

Возбуждение (“накачку”) активного вещества осуществляют световой импульсной лампой. Частота повторения импульса света лампы-вспышки зависит от времени зарядки батареи конденсаторов, а также от условий охлаждения стержня (рубинового) – резонатора.

Импульс света длится до с с интервалами между ними 3·10^- 6…10^-3с.

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

В твердотельном лазере рабочим элементом-веществом является рубиновый стержень, состоящий из окиси алюминия (Al₂О₃), активированного 0,05% Cr (хрома).

Для рубина поглощаемая кристаллом мощность накачки составляет ~2 кВт на 1см³ объема кристалла. Коэффициент использования световой энергии лампы-вспышки составляет 10…15%, поэтому ее мощность должна составлять десятки, а то и сотни кВт.

40…70% энергии, поглощенной стержнем идет на его нагрев. Чтобы генерация когерентного излучения не прекратилась, стержень нужно охлаждать (воздухом, водой или жидким азотом).

Начавшееся в рабочем теле (стержне) лазера излучение распространяется по всему объему стержня — резонатора 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 микросекунды более половины атомов хрома приходит в возбужденное состояние, система становится неустойчивой и вся запасенная в стержне рубина энергия одновременно высвобождается и кристалл испускает яркий красный свет – красная флюоресценция рубина – фотоны с длиной волны λ =0,6943 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. Что обеспечивает температуру в пределах 6000…8000 °С.

В результате этого поверхностный слой материала заготовки 9, находящийся в фокусе луча, мгновенно нагревается и испаряется.