Основные типы технологических лазеров

 

Для обработки материалов в основном используются твердотельные и газовые лазеры. В твердотельных лазерах генерация излучения осуществляется в твердом активном элементе, в качестве которого используют стержни из кристалла искусственного рубина, стекла с примесью редкоземельного элемента неодима (Ст - Nd) или иттрия алюминиевого граната с добавкой неодима (ИАГ - Nd). В газовых лазерах активной средой являются различные газы и их смеси. Наиболее распространены газовые лазеры на диоксиде углерода.

Схема твердотельного лазера приведена на рис.3.7. Твердый активный элемент 2 размещают в резонаторе между двумя зеркалами 1 и 3. Зеркало 1 полностью отражает всё падающее на него излучение, а зеркало 3 является полупрозрачным. Оптическая накачка активной среды осуществляется энергией газоразрядной лампы-вспышки 4. Для получения более эффективного облучения лампу 4 вместе с активным элементом 2 помещают в кожух 5, на внутреннюю поверхность которого нанесено отражающие покрытие типа серебра, золота и др. Кожух имеет эллиптическую форму, а лампа и кристалл размещаются в фокусах эллипса. Этим достигаются наилучшие условия равномерного и интенсивного освещения кристалла. Питание лампы-вспышки обычно осуществляется от специальной высоковольтной батареи 6 конденсаторов.

 

 

Рис.3.7. Принципиальная схема твердотельного лазера

 

Поглощенная стержнем энергия лишь частично превращается в энергию излучения лазера. Большая часть поглощенной энергии (50-70 %) превращается в тепловую, т.е. идет на нагрев рабочего тела. Этот нагрев крайне нежелателен, так как он вызывает изменение энергетических уровней оптически активных атомов кристалла. Последующее повышение температуры рабочего тела до некоторой предельной приводит вообще к прекращению генерации излучения. Кроме того, при неравномерном нагреве стержня в нем возникают температурные напряжения, которые могут привести к разрушению рабочего тела. В связи с этим в большинстве конструкций твердотельных лазеров предусматривается охлаждение рабочего тела (чаще всего дистиллированной водой).

Разряд высоковольтной батареи конденсаторов обеспечивает интенсивную вспышку полихроматического света в лампе. Световое излучение осуществляет оптическую накачку активных атомов рабочего тела, которые поглощают энергию накачки, возбуждаются, занимают верхний энергетический уровень и далее при переходе на низший энергетический уровень генерируют излучение.

В рубиновом кристалле активными атомами являются атомы хрома в оксиде алюминия. Генерация лазерного излучения для этого кристалла осуществляется по трехуровневой системе. Начавшееся в рабочем теле излучение распространяется по всему объему стержня и благодаря многократному отражению от зеркал в резонаторе в процесс генерации вовлекаются все оптически активные атомы. Часть излучения выходит из генератора через полупрозрачное зеркало 3. Диаметр луча, полученного лазерным излучением, примерно равен диаметру использованного кристалла. Плотность мощности выходного лазерного излучения сравнительно невелика. Последующей фокусировкой значительно уменьшают диаметр луча, в результате чего существенно возрастает плотность мощности лазерного излучения. В таком сфокусированном виде лазерное излучение используется для обработки материалов.

Твердотельный лазер генерирует излучение при облучении рабочего тела лампой до тех пор, пока мощность энергии накачки не станет меньше порогового значения, необходимого для поддержания генерации. Частота повторения импульса света лампы зависит от схемы электрического питания и от условий охлаждения рабочего тела.

В твердотельных лазерах на стекле с неодимом и на иттриево-алюминевом гранате с неодимом (ИАГ-Nd) активный элемент представляет собой аморфное вещество (стекло) или кристаллическое вещество (иттриево-алюминиевый гранат), легированные ионами неодима, генерирующими лазерное излучение. Генерация излучения в этих лазерах создается по четырехуровневой системе, которая является более благоприятной для эффективного получения лазерного излучения.

Современные твердотельные лазеры, в особенности лазеры на ИАГ-Nd, обладают достаточно высокими энергетическими характеристиками, что позволяет рекомендовать их к широкому применению в различных технологических процессах поверхностной обработки, сварки, резки и др. Однако средняя мощность излучения у них ограничена малыми линейными размерами синтетических кристаллов и низкой теплопроводностью, затрудняющей охлаждение активных элементов.

Для лазерной обработки материалов весьма перспективны газовые лазеры, способные развить большую мощность в непрерывном и импульсно-периодическом режиме генерации. Им свойственна более высокая монохромность излучения. Активные газовые среды отличаются высокой оптической однородностью. Благодаря этому достигается уровень расходимости, близкий к предельно возможному, т.е. к дифракционному. Это условие обеспечивает получение высоких значений плотности мощности излучения в фокальном пятне.

Газовые лазеры. В газовых лазерах активной средой является чистый газ, смесь нескольких газов или смесь газа с парами металла, возбуждаемые электрическим разрядом при протекании химических реакций, либо в процессе истечения нагретого газа через сверхзвуковое сопло. В соответствии с этим различают газовые лазеры электроразрядные, химические и газодинамические.

Наиболее широкое применение в промышленности находят газовые лазеры, в которых накачка активной смеси осуществляется электрическим разрядом. Принципиальное устройство лазеров этого типа гораздо проще ранее рассмотренных. Специальная трубка наполняется специальной газовой смесью. В ее торцы впаиваются два электрода и к ним подводят напряжение от источника питания (рис.3.8). В трубке 1 возбуждается газовый разряд 2. Для газовых лазеров подбирают специальные газовые смеси, атомы или молекулы которых могут некоторое время находиться в метастабильном состоянии. По сравнению с твердыми телами и жидкостями газы обладают меньшей плотностью и более высокой однородностью, что не вызывает искажения светового луча, его рассеяния и потерь энергии. В результате направленность лазерного излучения в газах резко увеличивается, достигая предела, обусловленного дифракцией. В качестве активных газов в ОКГ применяют аргон, неон, криптон, ксенон, смеси гелия и неона, углекислый газ с добавкой азота и гелия. Газовые ОКГ подразделяют на три большие группы: лазеры на атомных, ионных и молекулярных переходах.

 

 

Рис.3.8. Схемы газовых лазеров: а – гелий-неоновый;

б – углекислотный; в – газодинамический

 

Примером атомного лазера является гелиево-неоновый ОКГ (рис.3.8,а). В этом лазере рабочим веществом является нейтральные атомы неона. Атомы гелия служат для передачи энергии возбуждения. В результате этой передачи атомы неона возбуждаются, а атомы гелия возвращаются в основное состояние. Газоразрядная трубка 1 лазера заполняется гелием и неоном с парциальным давлением соответственно 133 и 13 Па. От источника 5 высокого напряжения в трубке создается высоковольтный электрический разряд 2, который возбуждает атомы гелия и неона за счет соударения с электронами. Излучение выходит через полупрозрачное зеркало 4. Гелиево-неоновый ОКГ имеет небольшую мощность, но из-за простоты устройства, надежности и достаточно высоких параметров излучения он получил широкое распространение.

В ионных газовых ОКГ используются переходы между энергетическими уровнями ионов благородных газов (ксенона, аргона, неона, криптона), а также фосфора, серы и хлора. Типичный представитель этой группы является аргоновый лазер, который по конструкции похож на гелиево-неоновый ОКГ. Мощность ОКГ этой группы выше, чем лазеров на атомных переходах. Газовый ОКГ на аргоне генерирует излучение мощностью до 150-500 Вт в непрерывном режиме. Наибольшие мощность и КПД имеют газовые ОКГ, Генерирующие колебания на молекулярных переходах. К этой группе относят ОКГ, работающие на углекислом газе.

В газоразрядных лазерах инверсия заселенностей достигается за счет возбуждения молекул электронным ударом и резонансной передачей энергии возбуждения. Для передачи энергии возбуждения в них служат молекулы азота, которые в свою очередь возбуждаются электронным ударом. В условиях тлеющего разряда обычно 90 % молекул азота переходят в возбужденное состояние, время жизни которого велико. Молекулярный азот хорошо накапливает энергию возбуждения и в процессе неупругих столкновений легко передает ее молекулам СО₂. Высокая инверсия заселенностей уровней достигается добавлением в рабочую смесь гели. Гелий облегчает условия возникновения разряда и благодаря своей высокой теплопроводности охлаждает разряд, способствует опустошению нижних лазерных уровнен молекулы CO₂.

Принципиальная схема ОКГ на СО₂ приведена на рис.3.8,б. Электрический разряд возбуждается в охлаждаемой стеклянной газоразрядной трубке 1 между электродами 6 с помощью высоковольтного источника питания 5. Излучение выводится через окно 4 из материала, пропускающего инфракрасные лучи, например из кристаллов KBr, NaCl или Ge.

По схеме с продольной прокачкой газа (рис.3.8,б) с 1 м длины резонатора можно снимать мощность не более 50 Вт, для получения большой, мощности приходится значительно увеличивать длину трубы резонатора, что достигается за счет использования многотрубных систем, в которых луч с помощью зеркал последовательно проходит через ряд труб.

Наиболее эффективными лазерами на СО₂ являются системы с поперечной относительно направления электрического тока продувкой газа. В них используют интенсивную прокачку газа через объем резонатора с охлаждением его в теплообменнике. Электрический разряд возбуждается между анодной плитой и секционированным катодом. В качестве рабочего газе используется смесь СО₂-N₂-Не. Расход газовой смеси через разрядную камеру составляет 2- 3 . В ОКГ этого типа можно получить съем мощности до 16 Вт с 1 см³ газа. Электроразрядные лазеры с поперечной прокачкой газа работают в непрерывном режиме генерации.

Характерной особенностью газодинамических лазеров является создание быстрых потоков газовых масс. Инверсия заселенностей в них осуществляется при резком охлаждении предварительно нагретой рабочей смеси путем адиабатического расширения газа. При нагревании газа молекулы переходят на верхние уровни. Но при этом сохраняется обычное больцмановское распределение по энергетическим уровням с большим заселением нижних уровней по сравнению с верхними.

При охлаждении газа молекулы должны перейти на нижние уровни. Скорость их перехода зависит от времени жизни на том или ином уровне. Поскольку время жизни верхнего лазерного уровня молекулы СО₂ гораздо больше времени жизни нижнего, расселение нижнего уровня идет с большей скоростью. При адиабатическом расширении газа в сопле происходит его резкое охлаждение на выходе из сопла. Поэтому в различных областях среды будет иметь место различное расселение молекул по энергетическим уровням. В прилегающей к соплу зоне еще будет преобладать заселенность нижнего уровня, но на некотором расстоянии от сопла, соответствующем времени распространения струй газа до этого сечения, нижние уровни будут опустошаться быстрее верхних, и в этой зоне будет существовать инверсия заселенности.

В газодинамическом лазере (рис.3.8,в) в камеру сгорания 8 подается топливо 7. Продукты сгорания (СО₂) в смеси с азотом и гелием выходят через сверхзвуковое сопло 9 в виде расширяющего потока газа 10. Для получения лазерного излучения используется резонатор в виде двух зеркал 3 и 4.

Резонатор расположен так, что его ось перпендикулярна вектору скорости потока газа. Мощность лазерного излучения определяется плотностью, скоростью и температурой газа на выходе из сопла.

Область применения светолучевой обработки. Технологические генераторы когерентного светового излучения (в основном газовые и твердотельные) имеют мощность непрерывного излучения до нескольких сотен киловатт и энергию отдельного импульса до нескольких сотен джоулей. Хотя они имеют большие габаритные размеры, потребляют значительную мощность, сложные в изготовлении и эксплуатации, однако, их использование дает ряд технологических преимуществ, определяющих их широкое применение:

1. Возможность передачи энергии на расстояние в воздухе и через прозрачные тела, например, стекло.

2. Отсутствие механических и электрических контактов между источником энергии и изделием.

3. Высокая концентрация энергии.

4. Возможность плавной регулировки плотности лучистого потока в пятне нагрева за счет изменения фокусировки луча.

5. Высокие температуры в зоне воздействуй излучения.

6. Возможность получения импульсов энергии весьма малой длительности (до 10^–9 с), а также непрерывного излучения.

7. Малые размеры зоны обработки (до нескольких микро метров).

8. Возможность перемещать луч с высокой точностью и скоростью.

Недостатки современных ОКГ:

- малый КПД при малой общей мощности;

- затруднительность получения импульсов большой длительности (более 10 мс), зависимость параметров излучения от внешних условий;

- недостаточная воспроизводимость заданного режима обработки.

Указанные недостатки и достоинства лазерной обработки определяют область ее применения. Резка и прошивка отверстий является основной областью применения лазерной обработки. Резка материала основана на локальном плавлении материала и его дальнейшем удалении под действием силы тяжести, конвективного потока или газовой струи. Эффективность резки значительно повышается при введении в зону обработки газа (газолазерная резка). Газолазерная резка широко применяется в электронной и микроэлектронной промышленности при производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем. Успешно применяется лазерная резка при изготовлении сквозных и глухих отверстий в твердых материалах. Лазерная прошивка отверстий по сравнению с механической обработкой обладает рядом преимуществ:

§ можно обрабатывать практически любые материалы независимо от их механических свойств;

§ можно получать отверстия диаметром менее 0,1 мм с большим отношением глубины к диаметру;

§ отсутствует механический силовой контакт между инструментом и деталью;

§ можно получать отверстия, ось которых наклонена под углом к обрабатываемой поверхности. Производительность и частота обработки очень высокие.

Лазерная сварка наиболее эффективна в микроэлектронике. С ее помощью производят соединения плоских выводов при монтаже печатных плат, герметизацию металлических корпусов интегральных схем. Лазерной сваркой можно соединять металлы с различными теплофизическими свойствами, а также металлические элементы с неметаллами.

Лазерное излучение стерильно, поэтому оно используется в медицине для глазных операций, а также в сельском хозяйстве для предпосевной обработки семян.

 

⇐ Предыдущая11121314151617181920Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: