Тема 6. Светолучевая обработка материалов

Введение. Свет как источник энергии издавна привлекал к себе внимание человека. По мере развития науки и техники различные физические явления, связанные со световым излучением, находят все более широкое применение в научных и промышленных целях.

Создание волновой теории света и усовершенствование технологии изготовления оптических линз, стекол и зеркал позволили создать целый ряд разнообразных оптических приборов. Была установлена принципиальная возможность фокусирования светового потока на относительно небольших поверхностях и получение высоких удельных плотностей энергии, достаточных для нагрева и плавления различных материалов. В качестве источника светового излучения использовалось Солнце. Солнечная энергия, попадающая на земную поверхность (около 400Вm/м²), стимулирует развитие различных способов ее преобразования в другие виды энергии (прежде всего в тепловую и электрическую).

Дальнейшее изучение физической природы светового излучения привело к открытию его квантового характера (фотон оптического излучения), что позволило осуществить новый подход к получению световой энергии. В начале XX века у физиков сложилось мнение, что обычный полихроматический (многоцветный) свет (семь волн различной длины) может быть получен излучением различных тел или из электрического газового разряда.

В 1917г. А.Эйнштейн высказал предложение, что световые волны строго определенной длины можно получить за счет индуцированного (вынужденного) излучения атомов и молекул вещества. [1].

Это было новое направление науки и техники – квантовая электроника. Она изучает различные эффекты, связанные с получением и применением электромагнитных колебаний оптического диапазона. Особую ценность представляет получение когерентного (монохроматического) света, то есть световой волны строго определенной длины.

В 1940г. советский ученый В.А.Фабрикант впервые экспериментально подтвердил выдвинутое А.Эйнштейном положение об вынужденном излучении, а в 1952г. был предложен (Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым) новый 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 лазеров.

В 1961г. был разработан первый образец оптического квантового генератора (ОКГ), 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 1961г. был создан газовый лазер (рабочее тело – гелий+неон). Это наиболее мощные лазеры. С их помощью можно получить непрерывное излучение мощностью до сотен кВm. Затем появились полупроводниковые лазеры.

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

Лазеры нашли широкое применение (для передачи информации и связи, для измерения расстояний с большой точностью).

Особое место занимает лазерная технология – использование ОГК для нагрева, плавления, испарения, сварки и резки материалов.

По плотности потока энергии (до 10¹³Вm/м²) лазер пока не имеет себе равных.

1.Физические основы получения и применения светолучевых источников энергии

1.1. Полихроматический свет и его использование для технологических целей

Обычное световое излучение – полихроматический свет – состоит из различных частот, лежащих в диапазоне видимой части спектра.

По длинам волн λ (мкм) диапазон светового излучения условно делится на несколько областей:

ИК 750…0,76мкм

Красная 0,76…0,62мкм

Оранжевая 0,62…0,59мкм

Желтая 0,59…0,56мкм

Зеленая 0,56…0,50мкм

Голубая 0,50…0,48мкм

Синяя 0,48…0,45мкм

Фиолетовая 0,45…0,40мкм

УФ 0,40…0,005мкм.

Полихроматическое излучение возникает в результате нагрева тел. Это излучение происходит в виде отдельных порций – квантов или фотонов.

Энергия фотона: ε =h·f , Дж (6.1)

Где h =6,625·10^-34 - постоянная Макса Планка (1858…1947г.г.) – немецкого физика, в 1918г. получившего Нобелевскую премию;

f - частота излучения, Гц.

В обычных условиях атомы вещества излучают одновременно кванты различной энергии, так как переход электронов с одних орбит (с дальних на ближние) на другие не носит организованного характера.

Для применения энергии света для тех или иных технологических процессов требуется фокусировка луча; полихроматичность играет в данном случае отрицательную роль.

Так как волны разной длины имеют различный коэффициент преломления, то полихроматичный свет (проходя через линзу) фокусируется в виде пятна довольно значительных размеров.

Это явление носит название хроматической аберрации (отклонение от норм, искажение …).

Диаметр светового пятна достигает сотен и тысяч мкм. В результате максимальная плотность энергии в пятне нагрева не превышает 10⁷Вm/м², что соизмеримо с нагревом от пламени газовой горелки и в 10⁴ …10⁵ раз меньше, чем для монохроматического луча лазера.

Система линз ø75…120мм не дает возможность получить в фокусе пятно диаметром менее 1…2мм, а сферическое зеркало диаметром 1м фокусирует солнечные лучи в пятно диаметром 20…60мм.

В промышленности световую энергию используют от источников света в виде ламп накаливания или дуговых газоразрядных ламп. Их мощность до нескольких десятков кВm (в кварцевых корпусах).

Кварцевые лампы нагревают поверхности до температуры 600…1200°К; газоразрядные (с системами фокусировки) – до 1800…2000°К, что вполне достаточно для плавления ряда материалов.

1.2. Когерентное излучение

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.

Монохроматичная волна всегда когерентна, а когерентность двух немонохроматических волн означает, что они обладают одинаковым набором частот f и разность их фаз постоянна во времени.

Чем короче длина волны, тем меньше расходимость параллельных пучков энергии этих волн. Это используется (для) при локации и определении расстояний до предметов.

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

Получить когерентное световое излучение удалось средствами квантовой электроники.

1.3. Основная схема ОКГ

Любой ОКГ 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 ОКГ.

Для инверсии населенности в ОКГ 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 ОКГ делятся на устройства, работающие в непрерывном и импульсно-периодическом режимах.

Рис.6.1.Схема твердотелого ОКГ:

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.

Работа ОКГ основана на принципе стимулированного генерирования светового излучения.

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 10^-6с. с интервалами между ними 3·10^-6…10^-5с.

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

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

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

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) ОКГ 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 ослепительный яркий красный свет – красная флюоресценция рубина – фотоны с длиной волны λ =0,6943мкм.

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

Эта энергия выделяется в миллионные доли секунды и сосредотачивается в луче диаметром 10мкм 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.

2. Технология светолучевой обработки материалов

2.1. Технологические особенности излучения ОКГ

Использование мощных ОГК дает целый ряд технологических преимуществ, что и определяет их широкое применение.

1. Энергию в виде светового луча можно передавать на расстояние (по специальному световоду или через прозрачную разделительную перегородку).

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

3. Высокая концентрация энергии в пятне нагрева прострой” 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 весьма малой длительности (до 10^-9 с.), 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.

10. Технологический процесс можно вести в любой оптически прозрачной среде.

3. Контрольные вопросы

3.1. Кто является основоположником разработки ОКГ-лазера и когда?

3.2. В чем состоят основные достоинства и недостатки полихроматического света как источника энергии для технологических целей?

3.3. Какие основные физические принципы положены в основу работы ОКГ?

3.4. Как получают когерентное излучение с помощью ОКГ?

3.5. Какие вещества используются в лазерах для генерации излучения?

3.6. Как осуществляется накачка (возбуждение) энергией в твердотелых ОКГ?

3.7. Как производится вывод излучения из ОКГ?

3.8. С помощью чего осуществляется фокусирование излучения лазера?

3.9. Каковы основные особенности взаимодействия светового излучения с веществом?

3.10. Где наиболее целесообразно технологическое применение лазерного излучения?

3.11. Назовите основные достоинства и недостатки обработки материалов с помощью ОКГ?