5.1 Електронно-променева обробка

5.2 Лазерна обробка

Ла́зер (англ. laser, скороч. від  Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – «посилення світла за допомогою вимушеного випромінювання»), це оптичний квантовий генератор – пристрій, який перетворює енергію накачки (світлову, електричну, теплову, хімічну і ін.) в енергію когерентного, монохроматичного, поляризованого і вузько направленого потоку випромінювання.

Фізичною основою роботи лазера служить квантовомеханічне явище вимушеного (індукованого) випромінювання. Суть явища полягає в тому, що збуджений атом здатний випромінювати фотон під дією іншого фотона без його поглинання, якщо енергія останнього дорівнює різниці енергій рівнів атома до і після випромінювання. При цьому фотон, що випромінює, когерентний фотону, що викликав випромінювання (є його «точною копією»). Таким чином відбувається посилення світла. Цим явище відрізняється від спонтанного випромінювання, в якому випромінювані фотони мають випадкові; напрям поширення, поляризацію і фазу. Промінь лазера може бути безперервним, з постійною амплітудою, або імпульсним, досягаючи екстремально великих пікових потужностей. У деяких схемах робочий елемент лазера використовується як оптичний підсилювач для випромінювання від іншого джерела.

Існує велика кількість видів лазерів, які використовують як робоче середовище всі агрегатні стани речовини. Деякі типи лазерів, наприклад лазери на розчинах фарбників або поліхроматичні твердотілі лазери, можуть генерувати цілий набір частот в широкому спектральному діапазоні. Габарити лазерів різняться від мікроскопічних для ряду напівпровідникових лазерів до розмірів футбольного поля для деяких лазерів на неодимовому склі. Унікальні властивості випромінювання лазерів дозволили використовувати їх в різних галузях науки і техніки, а також в побуті, починаючи з читання і запису компакт-дисків і закінчуючи дослід- женнями в області керованого термоядерного синтезу.

Першоджерелом генерації є процес спонтанного випромінювання, тому для забезпечення спадкоємності поколінь фотонів необхідне існування позитивного зворотного зв'язку за рахунок якого фотони, які випромінюють- ся, повинні викликать подальші акти індукованого випромінювання.

Вірогідність того, що випадковий фотон викличе індуковане випромінювання збудженого атома, в точності дорівнює вірогідності поглинання цього фотона атомом, що знаходиться в не збудженому стані. Тому для посилення світла необхідно, щоб збуджених атомів в середовищі було більше, ніж не збуджених (так звана інверсія населеності). В стані термодинамічної рівноваги ця умова не виконується, тому використовуються різні системи накачування активного середовища лазера (оптичні, електричні, хімічні і ін.).

Випромінювання, яке генерується лазером, є монохроматичним, оскільки вірогідність випромінювання фотона певної довжини хвилі більша, ніж близько розташованої, пов'язаної з розширенням спектральної лінії, а вірогідність індукованих переходів на цій частоті теж має максимум. Тому поступово в процесі генерації фотони, даної довжини хвилі, домінуватимуть над всіма останніми фотонами. Промінь лазера має дуже малий кут розбіжності і строго визначену поляризацію.

Всі лазери складаються з трьох основних частин:

• активного (робочого) середовища;

• системи накачування (джерело енергії);

• оптичного резонатора (може бути відсутнім, якщо лазер працює в режимі підсилювача).

Кожна з них забезпечує для роботи лазера виконання своїх певних функцій.

Активне середовище лазера розташовано в оптичному резонаторі. У простому випадку він представляє собою два дзеркала, одне з яких напівпрозоре – через нього промінь лазера частково виходить з резонатора. Із-за особливого розташування дзеркал, в лазерному промені зберігаються лише ті фотони, які поширюються в напрямі, паралельному оптичній осі резонатора на невеликій відстані від неї, останні фотони швидко покидають об'єм резонатора. Відбиваючись від дзеркал, пучок випромінювання багато разів проходить по резонатору, викликаючи в ньому індуковані переходи.

Використовуючи прилади для швидкого виключення і включення зворотного зв'язку і зменшення тим самим періоду імпульсів, можливо створити умови для генерації випромінювання дуже великої потужності (так звані гігантські імпульси). Цей режим роботи лазера називають режимом модульованої добротності. Випромінювання може бути і безперервним.

Система накачування створює інверсію населеності середовища лазера.

У твердотілих лазерах вона здійснюється за рахунок опромінення потужними газорозрядними лампами-спалахами, фокусуванням сонячного випромінюванням (так зване оптичне накачування) і випромінюванням інших лазерів (зокрема, напівпровідникових). При цьому можлива робота лише в імпульсному режимі, оскільки потрібна дуже велика щільність енергії накачування, що викликають при тривалій дії сильне розігрівання і руйнування стрижня робочої речовини.

У газових і рідинних лазерах використовується накачування електричним розрядом. Такі лазери працюють в безперервному режимі. Накачування хімічних лазерів відбувається за допомогою протікання в їх активному середовищі хімічних реакцій. При цьому інверсія населеності виникає або безпосередньо в продуктах реакції, або в спеціально введених домішках з відповідною структурою енергетичних рівнів.

У напівпровідникових лазерів накачування відбувається під дією сильного прямого струму через p-n перехід, а також пучком електронів.

Існують і газодинамічні методи накачування, які здійснюються різким охолоджуванням заздалегідь нагрітих газів.

Оптичний резонатор посилює інтенсивність пучка променів лазера. Лінії в спектрі випромінювання через різні причини завжди мають певну ширину. Тому можуть виникати ситуації, коли на ширину спектральної лінії укладається декілька власних частот резонатора. В цьому випадку випромінювання лазера буде багатомодовим. Дзеркала лазера не лише забезпечують існування позитивного зворотного зв'язку, але і працюють як резонатор, підсилюючи одні моди, які генеруються лазером, відповідно стоячим хвилям даного резонатора, і ослабляючи інші. Якщо на оптичній довжині резонатора укладається ціле число півхвиль, то такі хвилі, проходячи по резонатору не міняють своєї фази і унаслідок інтерференції підсилюють одна одну. Всі інші, близько розташовані по частоті хвилі, поступово гасять одна одну. Синхронізація цих мод дозволяє добитися того, щоб випромінювання було послідовністю коротких і потужних імпульсів. Але посилюються хвилі не лише паралельні оптичній осі резонатора, але і під малим кутом до неї. Це приводить до того, що інтенсивність пучка променів лазера різна в різних точках плоскості, перпендикулярної цьому пучку. Для усунення цих небажаних ефектів використовують різні діафрагми, розсіюючи нитки, а також застосовують різні схеми оптичних резонаторів.

Наймініатюрніший лазер має довжину декілька мікрон, найбільші по габаритах лазерні установки в національній лабораторії Лоуренса Лівермора в США - 137 м. сумарної потужністю 1014 Вт і в інституті Макса Планка в Європі потужністю 1012 Вт (працює на атомах йоду з накачуванням світлом фотоспалахів).

Створення газових лазерів безперервної дії потужністю понад 1 кВт відкрило перспективи використання лазерних технологій від мікроелектрод- ніки до таких матеріаломістких галузей промисловості, таких як машино- будування, і металургія. Висока щільність енергії лазерного випромінювання, до 108-109 Вт/см² в безперервному режимі і до 1016-1017 Вт/см² в імпульсному режимі, дозволяє не лише значно збільшити продуктивність обробки, але і отримувати якісно нові результати.

В зв'язку з цим лазерний промінь як джерело нагріву при обробці матеріалів має як загальні особливості, властиві всім іншим високо- концентрованим джерелам, так і свої специфічні переваги, серед яких можна виділити дві великі групи.

1. Висока концентрація енергії, що підводиться, і локальність нагріву. Це дозволяє виробити обробку лише локальної ділянки матеріалу з великими швидкостями при дуже малому часі дії.

2. Висока технологічність лазерного променя дозволяє регулювати параметри обробки в дуже широкому інтервалі режимів, виробляти обробку на повітрі, легко транспортувати випромінювання, наприклад по гнучкому оптоелектронному променепроводу і легко автоматизувати процес.

В результаті реалізується широкий круг технологічних процесів і методів обробки матеріалів таких як; прошивка отворів при співвідношенні глибини до діаметру 16:1, наприклад 700 тис. отворів діаметром 0,2 мм в матеріалі завтовшки до 3 мм в зміну, зварка легованих сталей товщиною до 10 мм, наплавлення, маркування при нанесенні розмірних шкал на вимірювальний інструмент, гартування, фігурне різання сталевих листів завтовшки до 6 мм, неметалевих матеріалів; оргскла товщиною до 50 мм, фторопласту до 30 мм, полівінілхлориду до 2 мм, деревних матеріалів завтовшки до 40 мм при швидкості різу до 3 м/хв., склотекстоліту, гетинаксу, поліетилену, азбоцементу, базальтових тканин, тканин для бронежилетів, шкіри, картону для упаковки, кераміки, ситалу, килимів, текстилю та ін.

5.3 ІОННО-ПРОМЕНЕВА ОБРОБКА