Промышленное применение лазеров
..pdfРис. 2.10. Способы транспортировки лазерного излучения: а - система зеркал; б - линзовый коллиматор; в - волоконнооптический световод
В лазерном технологическом комплексе излучение может пода ваться по световодам к различным рабочим местам последовательно или параллельно для выполнения операций резки материала, про шивки отверстий, сварки, упрочнения, локального легирования и т.п. Это значительно упрощает транспортировку излучения и повышает производительность процессов обработки. Можно управлять лазер ным излучением с помощью руки антропоморфного робота. Лазер ный луч может служить одним из инструментов в составе обрабаты вающего центра. Большие возможности имеются для встраивания лазерного технологического оборудования в гибкое автоматизиро ванное производство. В настоящее время практически все современ ные зарубежные ЛТУ с твердотельными лазерами используют со вместно с волоконно-оптическими световодами и выполняют, как правило, на базе высокоточных промышленных роботов.
Для контроля за ходом процесса обработки используют систе мы наблюдения. Они могут быть визуальными, когда оператор сам непосредственно контролирует ход процесса (наблюдение за обраба тываемым объектом ведется с помощью микроскопов, причем фоку сирующая и визуализирующая системы должны иметь общий объек тив), или оптико-электронными, когда информация о протекании процесса собирается с помощью различных датчиков и направляется
всистему управления, где может быть отображена, например, на мо ниторе компьютера.
Оптические системы используют и для изменения распределе ния энергии по сечению лазерного пучка, продольных и поперечных размеров и состояния поляризации в зоне обработки. Для этого на пути выходящего из резонатора излучения можно установить про зрачный элемент, после прохождения которого излучение будет иметь определенную ориентацию вектора электрического поля, т.е. определенное состояние поляризации. Такой элемент называют по ляризующим элементом - поляризатором. Необходимо отметить, что при его отсутствии лазерное излучение будет деполяризованным, тогда поляризации достигают другими методами.
Вцелом можно отметить, что современные твердотельные ла зеры обладают достаточно высокими энергетическими характери стиками, что позволяет рекомендовать их для широкого применения
вразличных технологических процессах поверхностной обработки, сварки, резки и т.д.
В1964 г. излучение рубинового лазера было использовано для прошивки отверстий в алмазных часовых камнях, что позволило по высить производительность этого процесса на три порядка по сравне нию с ранее существующей технологией. С этого времени, собствен но, и началось развитие лазерной технологии обработки материалов.
Твердотельные лазеры не требуют вакуумных камер, компрессо ров ит.п. Меньший объем активной среды обусловливает меньшие
габариты систем охлаждения. Все это |
определяет |
более простую |
|
и дешевую |
конструкцию по сравнению |
с мощными |
ССЬ-лазерами. |
Одним из |
достоинств твердотельных лазеров является излучение |
в ближнем инфракрасном диапазоне (ИК-диапазоне), что, во-первых, делает возможным фокусировку излучения в пятно меньшего размера, чем излучение С()2-лазера (величина дифракционного кружка пропор циональна длине волны излучения), а во-вторых, позволяет применять оптические формирующие системы из традиционных материаловоптических стекол, что значительно снижает их стоимость.
Однако средняя мощность излучения даже лучших твердо тельных лазеров ограничена малыми линейными размерами синте тических кристаллов и низкой теплопроводностью, затрудняющей охлаждение активных элементов. В настоящее время из-за относи тельно невысоких энергетических характеристик и сложности вы ращивания качественных кристаллов рубиновые лазеры в техноло гии обработки материалов используют редко, а в машиностроении - практически не применяют.
У жидкостных лазеров активный элемент кювета, заполнен ная активной средой. Для получения инверсной населенности в лазе рах на красителях используют оптическую накачку либо с помощью импульсных газоразрядных ламп, либо с помощью лазеров.
По типу активной среды жидкостные лазеры делят на лазеры на неорганических растворах и лазеры на органических красителях.
Первая группа представляет собой лазеры, использующие рас творы солей редкоземельного элемента неодима в неорганических жидкостях. Их можно считать аналогами твердотельных лазеров, ис пользующих стекло с примесью неодима.
Вторая ipynna использует молекулы органических красителей (родамин, кумарин и другие соединения, которые сильно поглощают свет в определенных диапазонах видимых длин волн). Структура мо лекулы красителя содержит бензольные (С6Н6), пиридиновые (С6Н5М), азотные (C4H4N2) и другие кольцевые структуры. Энергетическая структура такой молекулы содержит большое число колебательно вращательных подуровней, которые присутствуют как в основном со стоянии молекулы, так и в возбужденном. Работа жидкостных лазеров на основе молекул органических красителей осуществляется по четы рехуровневой системе.
Большим достоинством таких лазеров является возможность получения с их помощью генерируемых волн различных длин от ультрафиолетовых до ближних инфракрасных. Для этого надо ис пользовать различные типы красителей. Активная среда, которой является раствор органических красителей в воде или спиртах, легко приготавливается и заменяется, накачка осуществляется, как прави ло, азотным УФ-лазером. Лазеры на красителях незаменимы в тех случаях, когда необходимо получить когерентное излучение с задан ной длиной волны. Монохроматическое излучение можно пере страивать в широкой области спектра - от ближнего ультрафиолета (0,34 мкм) до ближней инфракрасной области (11.75 мкм)- простой заменой кюветы с красителем.
Использование жидкостных лазеров в качестве основы актив ной лазерной среды достаточно перспективно, поскольку в этом слу чае реализуется целый ряд достоинств по сравнению с другими сре дами. К таким преимуществам можно отнести: легкость получения активной среды с требуемыми характеристиками, простота измене ния ее состава, возможность прокачки среды для поддержания ее в высокоэффективном состоянии, легкость охлаждения при большой мощности генератора, оптическая однородность и т.д.
Однако подобрать жидкость в качестве основы активной среды, удовлетворяющей таким требованиям, как интенсивная флуоресценция с большим квантовььм выходом на рабочем переходе, широкие полосы поглощения энергии накачки, отсутствие потерь на частоте рабочего перехода, достаточно сложно. Многочисленные исследования различ ных жидкостей позволили реализовать лазерную генерацию лишь в относительно небольшом их количестве, при этом лазеры на указан ных средах, как правило, уступают по своим рабочим характеристикам твердотельным лазерам, за исключением жидкостных лазеров на орга нических красителях. Эти лазеры не имеют аналогов сточки зрения возможности плавной перестройки длины волны генерации в очень ши роком диапазоне - во всей видимой области спектра, включая ближний ультрафиолетовый и инфракрасный диапазоны. Перестройку частоты излучения можно осуществлять за счет введения внутрь резонатора
призм, дифракционных решеток, фильтров и других, специальных час тотно-селективных элементов. При этом реализуется излучение с очень высокой монохроматичностью, достигающей 1-И,5 МГц. Лазеры на органических красителях, работающие в непрерывном и импульсном режимах, имеют энергию в импульсе до нескольких сотен джоулей и мощность в десятки ватт в непрерывном режиме. Коэффициент по лезного действия лазеров на органических красителях достигает десят ков процентов при лазерной накачке: 25-КЗО % и 1 % при использова нии в качестве накачки импульсных ламп. Мощность излучения в непрерывном режиме порядка нескольких ватт, а в импульсном - нескольких мегаватт при длительности импульса порядка 20 нс и частоте повторения до 200 Гц, перекрытие диапазона длин волн от 0,34 до 1,17 мкм при подборе различных красителей. Расходимость выходного лазерного излучения составляет 2-^-5 мрад. Диапазон пере стройки для каждого из красителей равен 40^-80 нм. Ширина спектра лазерного излучения равна примерно 10 нм при отсутствии диспер гирующих элементов внутри резонатора.
Ввиду малой мощности (100^200 мВт, в некоторых случаях до 1 Вт) указанный тип лазера пока используется .лишь для исследова тельских целей. Однако при увеличении скорости прокачки жидко сти и использовании больших рабочих объемов растворов имеются перспективы для создания лазеров большей мощности.
2.3.2. Газовы е лазеры
Газовые лазеры - наиболее широко используемый тип лазеров. Среди различных типов газовых лазеров можно найти такой, кото рый будет удовлетворять почти любому требованию.
Особенности газовых лазеров большей частью обусловлены тем, что они, как правило, являются источниками излучения атомных или молекулярных спектров. Поэтому длины волн переходов точно из вестны. Они определяются атомной структурой и практически не за висят от условий окружающей среды. В настоящее время газовые ла зеры обладают монохроматичностью лучшей, чем в любом другом
приборе. Генерация может быть осуществлена в любой части оптиче ского диапазона - от ультрафиолета (~ 200 нм) до далекой инфракрас ной области (~ 0,4 мм), частично захватывая микроволновую область.
Разреженность рабочего газа обеспечивает оптическую однород ность среды с низким коэффициентом преломления, что позволяет при менять простую математическую теорию доя описания структуры мод резонатора. Газовая среда обладает высокой однородностью по сравне нию с другими талами лазеров, поэтому в газовых лазерах можно полу чать наименьший угол расходимости лазерного луча (порядка минуты без всяких дополнительных коллимирующих устройств).
По характеру используемой среды и частично по особенностям механизма образования инверсной населенности газоразрядные лазе ры можно разделить на атомарные (He-Ne), ионные {Аг), молеку лярные (СО2), лазеры на парах металлов (Си). Активный элемент га зовых лазеров представляет собой кювету, заполненную активной средой (как правило, смесью различных газов). Частицы одного из веществ используют доя создания инверсии, а частицы других - для возбуждения первых частиц.
Лазер на нейтральных атомах является, главным образом, гене ратором инфракрасного и красного излучения, поскольку для ней тральных атомов энергия, соответствующая лазерным переходам, составляет обычно 1+2 эВ. Атомарные лазеры, за исключением неонгелиевого лазера, работающего в диапазоне видимого света, дают генерацию в инфракрасном диапазоне длин волн.
В ионных газовых лазерах энергия излучения квантов значи тельно больше 2+5 (и более) эВ. Ионные лазеры, использующие пе реходы между уровнями энергии ионизированных газов, таких как аргон, пары кадмия, селена, ртути и др., дают генерацию в основном в области видимого света и являются основными источниками излу чения синего и зеленого цветов и ультрафиолетовых линий.
В молекулярных лазерах используются колебательные и враща тельные энергетические состояния, энергия которых составляет со тые и десятые доли электронвольта, поэтому они излучают в инфра красном и субмиллиметровом диапазонах длин волн.
По способу накачки газовые лазеры разделяют на газоразрядные (накачку осуществляют' с помощью электрического разряда, возникаю щего при прохождении электрического тока через газ), газодинамиче ские (инверсия осуществляется за счет охлаждения газа при его истекании с большой скоростью из камеры высокого давления) и химические (инверсия достигается в результате химических реакций).
Излучатели непрерывных и импульсных газовых лазеров состо ят из резонатора, между зеркалами которого расположена газораз рядная трубка, через которую прокачивается газовая смесь, или за полненная газовой смесью и запаянная. В трубку впаяны (или вмон тированы) металлические электроды. Зеркала могут располагаться внутри трубки и вне ее.
Свойства газовых лазеров зависят от давления, природы газа, взаимного расположения и времени жизни атомарных и молекуляр ных уровней энергии, а также от энергии и плотности электронов, размеров объема, где расположен газ, от способа подведения энергии и ряда других факторов. Можно указать следующие механизмы соз дания инверсии в газовых лазерах: неупругие столкновения частиц 1-го и 2-го рода в газовом разряде, оптическая накачка, диссоциация молекул, фотодиссоциация. В большинстве случаев в газовых лазе рах накачка осуществляется за счет газового разряда, создаваемого
вактивной среде, где располагаются электроды.
Вотличие от твердотельного излучателя, где концентрация час тиц в лазерном веществе составляет N ~1017-Л02° в см3, в газовой среде она намного меньше N ~1013-Л018 в см3, поэтому значительные мощности излучения достигаются лишь при больших длинах газо разрядных трубок.
Для технических целей в настоящее время в основном приме няют два типа газовых лазеров: с диффузионным и конвективным охлаждением газовой среды. Лазеры с диффузионным охлаждением могут быть отпаянные или прокачные (рис. 2.11).
Рис. 2.11. Типы газовых лазеров: а - отпаянный;
б- прокачной с продольной прокачкой; в - прокачной
споперечной прокачкой
Отпаянный лазер создан одним из первых среди газовых. Ак тивная среда (смесь газов) заключена в запаянной стеклянной трубке (капсуле), по торцам которой расположены зеркала резонатора. Кап сула имеет определенный срок службы, после истечения которого заменяется новой.
В качестве блока накачки используется источник высокого на пряжения постоянного или переменного тока. Напряжение с блока питания через систему электродов подается непосредственно на раз рядную трубку с активной средой. Активная среда может быть также возбуждена с помощью высокочастотного импульсного блока накач ки. Мощность такого лазера обычно зависит от объема (длины) лазер ной полости и колеблется от 0,1 до 0,5 кВт. С 1 м лазерной полости в среднем может быть получена мощность не более 0,05 кВт. Поэтому с увеличением мощности неизбежно возрастают габариты лазера.
Прокачной лазер имеет более совершенную конструкцию, бла годаря чему съем мощности с 1 м лазерной полости и срок службы этого лазера выше, чем отпаянного. Газовая смесь в разрядном про межутке постоянно возобновляется, поэтому прокачные лазеры имеют большие габариты, так как снабжены системой откачки и по дачи рабочего газа. С помощью системы откачки в полости лазера создается необходимое разрежение (вакуум порядка 13,3 Па). В сис тему подачи рабочего газа обычно входят смеситель газов и насос для заполнения разрядной трубки газовой смесью (иногда использу ется заранее приготовленная смесь).
В прокачном лазере мощность излучения также пропорцио нальна длине разрядной трубки. Поэтому при значительной мощно сти лазера для снижения габаритов установки газовую трубу делают секционной (коленчатой). Однако такое решение приводит к возрас танию потерь в результате увеличения отражающих поверхностей в резонаторе. Так, для получения выходной мощности 8,8 кВт общая длина лазерной полости достигает 200 м, а при 15-секционном ис полнении лазера его КПД = 15^-30 %.
У лазеров с конвективным охлаждением среда прокачивается с большой скоростью через объем разряда (резонатора) мощным ком прессором. Скорость прокачки среды выбирается такой, чтобы время пребывания молекулы в объеме резонатора составляло примерно 1(Г3 с. Активная среда может прокачиваться вдоль оси резонатора у лазеров с осевой (продольной) прокачкой (см. рис. 2.11,6) или перпендикулярно к ней - у лазеров с поперечной прокачкой (см. рис. 2.11, в). В конвек тивных лазерах с осевой прокачкой скорость среды составляет 200 м/с, а с поперечной - 30 м/с. Это обусловлено тем, что во втором случае размеры резонатора (диаметр лазерного пучка) значительно меньше, чем в первом. Применение конвективного охлаждения позволяет уве личить удельную мощность с единицы длины в лазерах с осевой про качкой в 10 раз, с поперечной - в 100.
Газовые лазеры с поперечной прокачкой являются более эф фективными, чем с осевой. В таких лазерах обеспечивается настоль ко бысгрое прохождение рабочего газа через разрядный промежуток, что он не успевает нагреваться под действием тока разряда до крити ческих температур, а это дает возможность увеличить энергию воз буждения активной среды и таким образом повысить мощность ге нерируемого лазерного излучения.
Обычно эти лазеры работают на смеси газов - СО2 + Не + N2. Гелий является очень дорогостоящей и дефицитной составляющей, поэтому изыскиваются новые безгелиевые рабочие смеси (например, С02 + N2 + Н20, С02 4- N2 + воздух и др.). Тем не менее все эти лазе ры принято называть лазерами на С02 или С02-лаэеры.
Гелий-неоновый лазер Первым газовым лазером непрерывного действия был лазер,
в котором в качестве активной среды использовалась смесь двух га зов - гелия и неона.
Газовый лазер на смеси неона и гелия является в настоящее вре мя одним из самых популярных и распространенных. Газовая смесь помещается в электрический разрядник, а накачка осуществляется пу тем неупругих столкновений атомов Не и Ne с электронами, разгоняе мыми высоким напряжением. Отношение парциального давления ге лия Не и неона Ne обычно составляет величину Рне/Рые 5-45. Инду цированное излучение создается атомами неона, а атомы гелия облегчают получение инверсной населенности в неоне.
Схема гелий-неонового лазера показана на рис. 2.12.
Рис. 2.12. Конструкция гелий-неонового лазера
Разрядная трубка 1 закрыта с торцов окнами 2, установленными под углом Брюстера к оптической оси. Это делается для уменьшения потерь на отражение, так как коэффициент усиления невелик и со ставляет всего порядка 2 % на метр для X = 0,63 мкм. Из-за такой ус тановки торцевых окон условия генерации выполняются только для