медицина (в том числе крио

ва стенок резонатора и т.д. Следовательно, генерация начнется только тогда, когда усиление в активной среде превысит некоторое пороговое значение.

Таким образом, для создания лазера - (источника когерентного света) необходимы следующие условия:

а) Наличие активной среды с инверсной населенностью; б) Активная среда должна быть помещена в резонатор;

в) Усиление активной среды должно быть больше некоторого порогового значения.

В настоящее время для различной обработки материалов при помощи лазерного излучения в основном применяются твердотельные и газовые лазеры.

Лазеры, в которых в качестве активной среды используются твердое тело с ионами, играющими роль активных центров (например, стержень из стекла или алюмоиттриевого граната, активированный неодимом), называются твердотельным.

Лазеры, в которых в качестве активной среды используются газы или их смеси (например, аргон или смесь газов из углекислого газа, азота и гелия), называют газовыми.

Те и другие лазеры конструктивно могут быть исполнены для работы в импульсном, импульсно-периодическом и непрерывном режимах излучения. Импульсный режим работы лазера характеризуется одиночными импульсами лазерного излучения, следующими друг за другом через заданный промежуток времени. Импульсно-периодический режим работы сопровождается непрерывными сериями импульсов с короткими временными промежутками между ними. При отсутствии промежутков между импульсами режим работы называется непрерывным. Принципиальная схема твердотелых лазеров показана на рисунке 1.5.

Активный элемент 1, лампа накачки 5 и отражатель 4 составляют узел, называемый квантроном. Он охлаждается дистиллированной водой (внутренний контур охлаждения).

Наружный контур охлаждения лазера подключается к водопроводной сети. Квантрон, помещенный в резонатор (заключенный между зеркалами 2,3), превращается в генератор (излучатель) лазерного излучения. Источник 6 питания лазера предназначен для обеспечения работы его излучателя в определенном режиме работы.

1 – активный элемент; 2,3 – резонатор; 4 – отражатель; 5 – лампа накачки; 6 – источник питания.

Рисунок 1.5 - Принципиальная схема твердотельного лазера:

Из твердотельных лазеров наибольшее распространение в машиностроении для обработки материалов получили лазеры на рубине, стекле с неодимом и на гранатах с неодимом. Лазеры на стекле с неодимом и на алюмоиттриевом гранате (АИГ) с неодимом генерируют излучение на длине волны

λ=1,06 мкм.

Дальнейшее развитие твердотельных лазеров связано с созданием новых активных элементов, многокаскадных усилителей и многоканальных систем, сокращением длительности импульса.

Из газовых лазеров для обработки материалов наиболее приемлемыми оказались лазеры на углекислом газе, обладающие достаточными мощностями и работающие на различных режимах излучения на длине волны 10,6 мкм. В этих лазерах увеличение снимаемой мощности происходит за счет добавления к рабочему газу СО2 молекулярного азота и гелия. Эта смесь газов подается в газоразрядную полость.

При приложении электрического поля молекулы СО2 и N2 возбуждаются и создаются их вынужденные колебания.

Молекулы N2, сталкиваясь с молекулами СО2, повышают их энергетический уровень за счет передачи своей энергии.

После чего молекулы СО2, переходя на более низкий энергетический уровень, испускают лазерное излучение. При этом молекулы Не (благодаря высокой подвижности атомов) служат для охлаждения рабочей смеси, способствуют расселению нижнего энергетического уровня и стабилизируют разряд. Для поддержания работоспособности газовой смеси в процессе работы в конструкциях лазеров предусматривается подача свежих газов в газоразрядную полость излучателя.

Впроцессе работы лазера происходит повышение температуры рабочей смеси газов, приводящее к снижению его выходной мощности. Для устранения этого явления возникает необходимость в охлаждении этой смеси.

ВСО2 лазерах с медленной прокачкой газовой смеси отвод тепла из зоны разряда осуществляется охлаждающей жидкостью (водой) через стенки газоразрядной полости (диффузионное охлаждение).

Газоразрядные лазеры с медленной прокачкой газовой смеси – это лазеры первого поколения.

Требования производства привели к созданию более мощных технологи-

ческих СО2 лазеров. Их создание оказалось возможным за счет применения другого способа отвода тепла из зоны разряда. В этом случае отвод тепла происходит заменой нагретой части смеси на свежую газовую смесь (конвективное охлаждение).

Ввиду того, что в этих лазерах прокачка смеси газов производится с большой скоростью, они называются газоразрядными лазерами с быстрой прокачкой.

По ориентации направлений распространения пучка лазерного излучения, прокачки (потока) газовой смеси и возбуждающего электрического раз-

ряда разработаны следующие виды конструкций лазерных СО2 излучателей с быстрой прокачкой (рисунок 1.6):

-направления пучка лазерного излучения, прокачки газовой смеси и электрического разряда совпадают рисунок 1.6а - быстро проточные газоразрядные лазеры с продольной прокачкой;

-направления пучка лазерного излучения и прокачки взаимно перпендикулярны рисунок 1.6.б, а направление возбуждающего разряда совпадает с направлением потока газовой смеси рисунок 1.6.б.I или же перпендикулярно

кней рисунок 1.6.б.II – быстро проточные газоразрядные лазеры с поперечной прокачкой.

Эти лазеры могут работать в различных (например, непрерывном, им- пульсно-периодическом) режимах излучения. Интересная и перспективная конструкция лазера с поперечной прокачкой описана в докладе P. Hoffman.

The start of new generation of CO2 lasers for industry. Создана конструкция

промышленного СО2 лазера рисунок 1.6в с компактным излучателем, с поперечной быстрой прокачкой газовой смеси с общим объемом около 0.3 м3 , весом менее 100 кг и мощностью излучения 1 кВт. Излучатель имеет две газоразрядные полости с противоположными направлениями прокачки, которые соединены в замкнутую систему, включающую теплообменники для охлаждения газовой смеси и компрессор. Газоразрядные участки обеих полостей оптически соединены «U» – образным резонатором с отклоняющими зеркалами 10 рисунок 1.6.в.I. Возбуждение газовой смеси осуществляется ВЧ электрическим разрядом.

Коэффициент полезного действия современных промышленных СО2 лазеров достаточно высок и колеблется в пределах 2030%.

Рис 1.6 - Принципиальные схемы быстропроточных СО2 лазеров:

а) с продольной прокачкой; б), в) с поперечной прокачкой; 1 – непрозрачное (глухое) зеркало резонатора; 2 – полупрозрачное зер-

кало резонатора; 3 – газоразрядная полость излучателя; 4 – теплообменник; 5 – электроды; 6 – направление потока газовой смеси; 7 – лазарное излучение; 8 – высокое напряжение; 9 – компрессор; 10 – отклоняющее зеркало.

1.3.3 Основные свойства лазерного излучения

Широкое использование лазеров для различных практических целей обусловлено некоторыми уникальными свойствами их излучения.

Когерентность как свойство лазерного излучения представляет собой согласованное протекание во времени ряда волновых процессов. Направленность обусловлена тем, что активная среда помещена между двумя плоскопараллельными зеркалами (открытый резонатор). В резонаторе же могут поддерживаться только те электромагнитные волны, которые распространяются в близком к оси направлении или вдоль его оси. Направленность характеризуется углом расходимости пучка лазерного излучения, который колеблется от нескольких угловых секунд до нескольких угловых минут.

Это свойство пучка лазерного излучения имеет большое практическое значение в связи, локации и в других областях техники.

Лазерное излучение имеет определенный интервал частоты, обычно очень узкий. Это свойство называют монохроматичностью излучения. Моно-

хроматичность связана с определенностью квантового перехода, генерации и усиления излучения только на определенных частотах резонатора.

Яркость. Лазер даже небольшой мощности имеет яркость, которая на несколько порядков превосходит яркость обычных источников. Это свойство является следствием высокой направленности пучка лазерного излучения.

В импульсных лазерах излучение длится малые доли секунды, поэтому даже при небольшой величине излучаемой энергии лазера его мощность значительна. Обычно импульсные лазеры характеризуются излучаемой энергией в Джоулях, тогда как непрерывные - мощностью в Ваттах.

Плотность мощности излучения (Wр) определяется как мощность излучения, падающего на единицу облучаемой поверхности, расположенной перпендикулярно к направлению лазерного пучка. Для лазерных установок импульсного действия пользуются понятием плотности энергии Wе (энергия излучения, падающая на единицу поверхности, расположенной перпендикулярно к направлению лазерного луча).

Плотность мощности импульсного лазерного излучения определяется выражением:

Wp=E/Sτu,

где τu – длительность импульсов лазерного излучения, с

Wp, We - зависят от энергетических и временных параметров, а также от условий фокусировки излучения.

S – площадь облучаемой поверхности, м2

1.3.4 Фокусировка пучка лазерного излучения

Пучок лазерного излучения, выходящий из резонатора, сфокусировать в математическую точку нельзя потому, что существует какой-то минимально допустимый размер пятна, определяемый дифракцией. Кроме того, в следствии присущих любой оптической системе аберраций также происходит увеличение размера фокального пятна. По этим причинам фокальное пятно получается не только увеличенным в диаметре, но и вытянутым вдоль оси оптической системы и характеризуется глубиной фокуса l.

Таким образом, выбирая оптическую систему для фокусирования пучка лазерного излучения необходимо учитывать зависимость между двумя ее параметрами - размером сфокусированного пятна и глубиной фокуса.

При рассмотрении оптических систем, работающих совместно с лазерами, обычно предполагают, что каждая точка сечения пучка лазерного излучения испускает пучок геометрических лучей с углом расходимости θ. Ось такого пучка параллельна оси оптической системы. Следовательно, структура излучения представляется в виде набора пучков параллельных лучей, равномерно заполняющих угол расходимости.

На рисунке 1.7. показана схема расходимости и фокусировки пучка лазерного излучения.

Рис 1.7 - Расходимость и фокусировка пучка лазерного излучения: r1 и r2 - радиусы кривизны зеркал резонатора; d0 - диаметр перетяж-

ки пучка в резонаторе; θ - угол расходимости пучка; f - фокусное расстояние линзы; l f - расстояние от фокуса пучка до линзы; d f - диаметр пучка в

фокусе; D - диаметр пучка в месте его выхода из резонатора; d - диаметр перетяжки пучка лазерного излучения; l - глубина фокуса; l1 - расстояние

от линзы до выходного зеркала резонатора.

На каустике (поверхность в продольном сечении сфокусированного пучка лазерного излучения, которая является зоной концентрации световой энергии) имеются две характерные плоскости: фокальная плоскость и плоскость изображения излучающего торца или ограничительной диафрагмы. Расстояние между фокальной плоскостью и плоскостью изображения l зависит от расстояния между оптической системой и излучателем l1 (см. рисунок 1.7.). Способ обработки, при котором поверхность облучения совмещена с фокальной плоскостью, называют обработкой в дальней зоне. Он является наиболее распространенным при получении круглых отверстий. Способ же обработки, когда поверхность облучения совмещена с плоскостью изображения излучающего торца или ограничительной диафрагмы, называют способом обработки в ближней зоне. Пространственное распределение излучения в дальней зоне характеризуется наложением полей всех участвующих в генерации мод и имеет вид гауссовой кривой; зона обработки при этом не имеет ярко выраженных границ. Пространственное распределение излучения в ближней зоне повторяет в определенном масштабе распределение поля в излучателе, равномерность которого определяется режимом работы лазера. Зона воздействия излучения в этом случае обычно четко ограничена.

Положение фокуса сфокусированного пучка лазерного излучения относительно обрабатываемой поверхности определяет параметры обработки (например, диаметр и глубину). Фокусировка луча над поверхностью, на поверхности и под поверхностью обрабатываемого материала дает различные конечные результаты. Например, при прочих равных условиях фокусировка луча под поверхностью обрабатываемого материала позволяет получать более широкий рез.

Сфокусированный пучок лазерного излучения обладает следующими основными преимуществами перед традиционными металлорежущими инструментами:

-с одинаковым успехом может быть использован для обработки твердых и мягких материалов, отличных по своим физико-механическим свойствам;

-отсутствует механический контакт с обрабатываемой деталью и, следовательно, износ и вибрация от инструмента;

-отсутствует стружка;

-не применяется СОЖ;

-малая тепловая нагрузка на обрабатываемую деталь;

-возможна работа совместно с технологическими газами без дополнительных дорогостоящих устройств;

-отпадает необходимость в приобретении, хранении и содержании обрабатывающих инструментов.

Таким образом, пучок лазерного излучения является одним из наиболее гибких универсальных инструментов. Им можно обрабатывать материалы с различными свойствами: разные металлы и сплавы в состоянии поставки или после соответствующей термообработки, а также неметаллы (пластмассы, резину, стекло, кристаллы, дерево и т.д.). Пучком лазерного излучения можно гравировать, проводить нанесение покрытий для увеличения износостойкости и т.п.

Пространственное распределение интенсивности энергии по сечению лазерного луча зависит от распределения электромагнитного поля, формируемого в резонаторе, и, следовательно, от его типа и конструкции.

Рисунок 1.8 - Пространственное распределение интенсивности энергии по сечению лазерного луча:

а- одномодовое; б- многомодовое

Лазерные излучатели, у которых распределение энергии выходного луча во времени и пространстве соответствует вращательно – симметричному гауссовому (нормальному) распределению (рисунок. 1.8 а), называют одномодовыми и обозначают символами ТЕМоо, а лазерные излучатели, у кото-

рых распределение энергии луча, не соответствует этому условию, называют многомодовым (рисунок.1.8.б.) – (ТЕМmn).

На схеме (рис 1.9.) показаны устойчивые (с диафрагмой и без нее) – (а,б,в) – и неустойчивый (-г-) резонаторы и соответствующее им распределение энергии по сечению лазерного луча. В устойчивых резонаторах за счет увеличения диаметра диафрагмы можно от нормальной моды излучения (ТЕМоо), имеющего высокую фокусирующую способность, перейти к многомодовому режиму излучения ТЕМmn, обеспечивающему усредненное распределение энергии по лучу. В неустойчивом резонаторе способность к фокусировке излучения зависит от отношения между внешним и внутренним диаметрами выходного луча кольцевой формы (коэффициент М). Путем увеличения значения М можно повысить фокусирующую способность лазерного луча.

Промышленные излучатели, в основном, конструктивно выполнены так, что они способны генерировать лазерное излучение только с определенным распределением энергии по сечению луча. Поэтому для каждого вида лазерной обработки материалов (резка, сварка, термоупрочнение и т.д.) выбирают соответствующий излучатель.

Рисунок 1.9 - Распределение интенсивности лазерного луча в зависимости от конструкции резонатора:

а, б, в – устойчивые резонаторы; г – неустойчивый резонатор 1 - непрозрачное (глухое) зеркало; 2 – диафрагма; 3 – полупрозрачное

зеркало; 4 – отклоняющее зеркало; 5 – выходное зеркало; 6,7 – одиночные моды.

Так, для лазерной резки материалов наиболее приемлемыми являются излучатели, работающие на одно (а) – или двух (б) – модовом режимах, ввиду того ,что в этих случаях при фокусировке луча можно получить «острый» луч, имеющий в фокусе (в зависимости от излучаемой моды и качества оптической системы) диаметр от 0,1 до 0,3 мм., у излучателя, работающего на многомодовом режиме, значение этого диаметра доходит до 0,5-0,6 мм. Это приводит к падению плотности мощности, увеличению ширины реза и, следовательно, к снижению технологических возможностей такого лазера.

Лазерные сварочные операции обычно выполняются в многомодовом (в) режиме излучения, обеспечивающем равномерное плавление свариваемых участков металла. Когда требуется более глубоко проплавление металла, используют кольцевой (г) режим излучения.

Для выполнения операции лазерного поверхностного термоупрочнения, где требуются относительно небольшие плотности мощности, но желательны увеличенные диаметры луча в фокальной плоскости, используют многомодовое излучение.

1.4 Краткое описание некоторых лазерных установок

Вспомним принцип работы и некоторые конструктивные особенности лазеров, наиболее широко применяемых на машиностроительных заводах и в медицинских лечебных учреждениях.

На наш взгляд, к таковым относятся аргоновые, гелий - неоновые, СО2,АИГ (ИАГ):Nd-3 лазеры.

В газовых лазерах электроны атомов рабочего газа обладают большим количеством возможных энергетических уровней, но из них, в основном, только одна пара служит для генерации излучения, а остальные подавляются за счет принятия специальных мер.

1.4.1 Аргоновый лазер

Аргоновый лазер относится к типу газоразрядных лазеров, генерирующих на переходах между уровнями ионов главным образом в сине - зеленой части видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра.

Обычно этот лазер излучает на длинах волн 0,488 мкм и 0,515 мкм., а также в ультрафиолете на длинах волн 0,3511 мкм и 0,3638 мкм.

Мощность может достигнуть 150 Вт (промышленные образцы 2 ÷ 10 Вт, срок службы в пределах 100 часов). Схема конструкции аргонового лазера с возбуждением от постоянного тока показан на Рисунок 1.10.

Рисунок 1.10 - Схема конструкции аргонового лазера

1– выходные окна лазера; 2 – катод; 3 – канал водяного охлаждения; 4

–газоразрядная трубка (капилляр); 5 – магниты; 6 – анод; 7 – обводная газовая трубка; 8 – глухое зеркало; 9 – полупрозрачное зеркало.

Газовый разряд создается в тонкой газоразрядной трубке (4), диаметром 5 мм – в капилляре, которая охлаждается жидкостью. Рабочее давление газа в пределах десятки Па. Магниты (5) создают магнитное поле для "отжимания" разряда от стенок газоразрядной трубки, что не позволяет разряду касаться ее стенок. Эта мера позволяет повышать выходную мощность лазерного излучения за счёт снижения скорости релаксации возбужденных ионов, происходящую в результате соударения со стенками трубки.

Обводной канал (7) предназначен для выравнивания давления по длине газоразрядной трубки (4) и обеспечения свободной циркуляции газа. При отсутствии такого канала газ скапливается в анодной части трубки после включе-