Лазерные технологии в машиностроении

метки: Лазерный, Лазер, Машиностроение, Технология, Излучение, Энергия, Работа, Вынудить

Изобретение лазера стоит в одном ряду с наиболее выдающимися достижениями науки и техники XX века. Первый лазер появился в 1960 г., и сразу же началось бурное развитие лазерной техники. В короткое время были созданы разнообразные типы лазеров и лазерных устройств, предназначенных для решения конкретных научных и технических задач. Лазеры уже успели завоевать прочные позиции во многих отраслях народного хозяйства. Как заметил академик А.П. Александров, “всякий мальчишка теперь знает слово лазер”. И все же, что такое лазер, чем он интересен и полезен? Один из основоположников науки о лазерах – квантовой электроники – академик Н.Г. Басов отвечает на этот вопрос так: “Лазер – это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля – лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает несравненно более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметра порядка длины световой волны и получить плотность энергии, превышающую еже на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва… С помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, напряженности магнитного поля.

Наконец, лазерный луч является самым емким носителем информации и в этой роли – принципиально новым средством ее передачи и обработки”. Широкое применение лазеров в современной науке и технике объясняется специфическими свойствами лазерного излучения. Лазер – это генератор когерентного света. В отличии от других источников света (например, ламп накаливания или ламп дневного света) лазер дает оптическое излучение, характеризующееся высокой степенью упорядоченности светового поля или, как говорят, высокой степенью когерентности. Такое излучение отличается высокой монохроматичностью и направленностью. В наши дни лазеры успешно трудятся на современном производстве, справляясь с самыми разнообразными задачами. Лазерным лучом раскраивают ткани и режут стальные листы, сваривают кузова автомобилей и приваривают мельчайшие детали в радиоэлектронной аппаратуре, пробивают отверстия в хрупких и сверхтвердых материалах. Доводка номиналов пассивных элементов микросхем и методы получения на них активных элементов с помощью лазерного луча получили дальнейшее развитие и применяются в производственных условиях. Причем лазерная обработка материалов позволяет повысить эффективность и конкурентоспособность по сравнению с другими видами обработки. В руках хирурга лазерный луч превратился в скальпель, обладающий рядом удивительных свойств. Лазеры широко используются в современных контрольно-измерительных устройствах, вычислительных комплексах, системах локации и связи. Лазеры позволяют быстро и надежно контролировать загрязненность атмосферы и поверхности моря, выявлять наиболее нагруженные участки деталей различных механизмов, определять внутренние дефекты в них. Лазерный луч становится надежным помощником строителей, картографов, археологов, криминалистов. Непрерывно расширяется область применения лазеров в научных исследованиях – физических, химических, биологических.

Современные лазерные технологии

... передавать тепловую энергию на большие расстояния. Фантазия авторов дала многим ученым почву для размышления о создании высокой технологии будущего. Непосредственно история изобретения лазера началась в ... частоте и фазе с падающей волной. 2.3 Основные свойства лазерного луча Лазеры являются уникальными источниками света. Их уникальность определяют свойства, которыми не обладают обычные источники ...

Замечательные свойства лазеров – исключительно высокая когерентность и направленность излучения, возможность генерирования когерентных волн большой интенсивности в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра, получение высоких плотностей энергии как в непрерывном, так и в импульсном режиме – уже на заре квантовой электроники указывало на возможность широкого их применения для практических целей. С начала своего возникновения лазерная техника развивается исключительно высокими темпами. Появляются новые типы лазеров и одновременно усовершенствуются старые: создаются лазерные установки с необходимым для различных конкретных целей комплексом характеристик, а также различного рода приборы управления лучом, все более и более совершенствуется измерительная техника. Это послужило причиной глубокого проникновения лазеров во многие отрасли народного хозяйства, и в частности в машино- и приборостроение.

Значительная импульсная мощность и энергия излечения современных твердотельных и газовых лазеров позволили вплотную подойти к решению проблем лазерной энергетики – разработке лазерного оружия для систем противоракетной обороны, управляемого термоядерного синтеза, разделения изотопов и лучевой передачи энергии, в том числе на космические объекты.

Надо особо отметить, что освоение лазерных методов или, иначе говоря, лазерных технологий значительно повышает эффективность современного производства. Лазерные технологии позволяют осуществлять наиболее полную автоматизацию производственных процессов. Одновременно при этом экономится сырье и рабочее время, повышается качество продукции. Например, практически мгновенная пробивка отверстий лазерным излучением во много раз увеличивает производительность работы сверловщика и к тому же существенно повышает качество этой работы. Лазерное изготовление микросхем отличается высокой производительностью и высоким качеством. В обоих примерах производственные операции легко поддаются автоматизации; управление лазерным лучом может взять на себя специальное вычислительное устройство. Можно уверенно утверждать, что внедрение и совершенствование лазерных технологий приведет к качественному изменению всего облика современного производства.

Огромны и впечатляющи достижения лазерной техники сегодняшнего дня. Завтрашний день обещает еще более грандиозные свершения. С лазерами связаны многие надежды: от создания объемного кино до решения таких глобальных проблем, как установление сверхдальней наземной и подводной оптической связи, разгадку тайн фотосинтеза, осуществление управляемой термоядерной реакции, появление систем с большим объемом памяти и быстродействующими устройствами ввода—вывода информации.

Лазеры и их применение в медицине

... применение лазерной техники в хирургии становится исключительно перспективным. Кратко перечисленные некоторые достоинства применения лазеров в хирургии относятся прежде всего к лазерам на углекислом газе (С02-лазерам). Кроме них, в медицине применяют лазеры, ... лазеры. В зависимости от типа лазера энергия для создания инверсной населенности сообщается разными способами: возбуждение ... Такое излучение ...

1. Лазер

Лазер — усиление света в результате вынужденного излучения) -источник оптического когерентного излучения, характеризующегося высокой направленностью и большой плотностью энергии. Существуют газовые лазеры, жидкостные и твердотельные (на диэлектрических кристаллах, стеклах, полупроводниках).

В лазере происходит преобразование различных видов энергии в энергию лазерного излучения. Главный элемент лазера — активная среда, для образования которой используют: воздействие света, электрический разряд в газах, химические реакции, бомбардировку электронным пучком и другие методы «накачки». Активная среда расположена между зеркалами, образующими оптический резонатор. Существуют лазеры непрерывного и импульсного действия. Лазеры получили широкое применение в научных исследованиях (в физике, химии, биологии и др.), в практической медицине (хирургия, офтальмология и др.), а также в технике (лазерная технология).

Лазеры позволили осуществить оптическую связь и локацию, они перспективны для осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Лазер — устройство, генерирующее электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от ультрафиолета (УФ, порядка 0,1 нм) до субмиллиметрового инфракрасного (ИК) за счет вынужденного испускания или рассеяния света активной средой, помещенной в оптический резонатор. Название представляет собой аббревиатуру английской фразы «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» (усиление света за счет вынужденного излучения).

Первыми приборами этого типа были квантовые генераторы коротких радиоволн, получившие название мазеры (та же аббревиатура с заменой «light» на «microwave» — микроволны).

В советской литературе употреблялся также термин «оптический квантовый генератор» (ОКГ).

Приведем некоротые классификации лазеров.

Принято различать два типа лазеров: усилители и генераторы. На выходе усилителя появляется лазерное излучение, когда на его вход (а сам он уже находится в возбужденном состоянии) поступает незначительный сигнал на частоте перехода. Именно этот сигнал стимулирует возбужденные частицы к отдаче энергии. Происходит лавинообразное усиление. Таким образом – на входе слабое излучение, на выходе – усиленное.

С генератором дело обстоит иначе. На его вход излучение на частоте перехода уже не подают, а возбуждают и, более того, перевозбуждают активное вещество. Причем если активное вещество находится в перевозбужденном состоянии, то существенно растет вероятность самопроизвольного перехода одной или нескольких частиц с верхнего уровня на нижний. Это приводит к возникновению стимулированного излучения.

Второй подход к классификации лазеров связан с физическим состоянием активного вещества. С этой точки зрения лазеры бывают твердотельными (например, рубиновый, стеклянный или сапфировый), газовыми (например, гелий-неоновый, аргоновый и т.п.), жидкостными, если в качестве активного вещества используется полупроводниковый переход, то лазер называют полупроводниковым.

Применение лазеров в технологических процессах

... периодически облучались зеленым светом от лампы-вспышки высокой мощности, которая змеей охватывала рубиновый кубик. Генерируемое излучение в виде красных световых импульсов испускалось через небольшое ... оптических лабораториях. Осваиваются новые активные среды, разрабатывается и совершенствуется технология изготовления лазеров. В 1962-1963 гг. в СССР и США одновременно создаются первые ...

Третий подход к классификации связан со способом возбуждения активного вещества. Различают следующие лазеры: с возбуждением за счет оптического излучения, с возбуждением потоком электронов, с возбуждением солнечной энергией, с возбуждением за счет энергий взрывающихся проволочек, с возбуждением химической энергией, с возбуждением с помощью ядерного излучения. Различают также лазеры по характеру излучаемой энергии и ее спектральному составу. Если энергия излучается импульсно, то говорят об импульсных лазерах, если непрерывно, то лазер называют лазером с непрерывным излучением. Есть лазеры и со смешанным режимом работы, например полупроводниковые. Если излучение лазера сосредоточено в узком интервале длин волн, то лазер называют монохроматичным, если в широком интервале, то говорят о широкополосном лазере.

Еще один вид классификации основан на использовании понятия выходной мощности. Лазеры, у которых непрерывная (средняя) выходная мощность более 10^6 Вт,

называют высокомощными. При выходной мощности в диапазоне 10^5…10^3 Вт имеем лазеры средней мощности. Если же выходная мощность менее 10^-3 Вт, то говорят о маломощных лазерах.

В зависимости от конструкции открытого зеркального резонатора различают лазеры с постоянной добротностью и лазеры с модулированной добротностью – у такого лазера одно из зеркал может быть размещено, в частности, на оси электродвигателя, который вращает это зеркало. В данном случае добротность резонатора периодически меняется от нулевого до максимального значения. Такой лазер называют лазером с Q-модуляцией.

Одной из характеристик лазеров является длина волны излучаемой энергии. Диапазон волн лазерного излучения простирается от рентгеновского участка до дальнего инфракрасного, т.е. от 10^-3 до 10^2 мкм. За областью 100 мкм лежит, образно говоря, “целина”. Но она простирается только до миллиметрового участка, который осваивается радистами. Этот неосвоенный участок непрерывно сужается, и есть надежда, что его освоение завершится в ближайшее время. Доля, приходящаяся на различные типы генераторов, неодинакова. Наиболее широкий диапазон у газовых квантовых генераторов.

Другой важной характеристикой лазеров является энергия импульса. Она измеряется в джоулях и наибольшей величины достигает у твердотельных генераторов – порядка 10^3 Дж. Третьей характеристикой является мощность. Газовые генераторы, которые излучают непрерывно, имеют мощность от 10^-3 до 10^2 Вт. Милливаттную мощность имеют генераторы, использующие в качестве активной среды гелий-неоновую смесь. Мощность порядка 100 Вт имеют генераторы на CO2. С твердотельными генераторами разговор о мощности имеет особый смысл. К примеру, если взять излучаемую энергию в 1 Дж, сосредоточенную в интервале в одну секунду, то мощность составит 1 Вт. Но длительность излучения генератора на рубине составляет 10^-4 с, следовательно, мощность составляет 10000 Вт, т.е. 10 кВт. Если же длительность импульса уменьшена с помощью оптического затвора до 10^-6 с, мощность составляет 10^6 Вт, т.е. мегаватт. Это не предел! Можно увеличить энергию в импульсе до 10^3 Дж и сократить ее длительность до 10^-9 с и тогда мощность достигнет 10^12 Вт. А это очень большая мощность. Известно, что когда на металл приходится интенсивность луча, достигающая 10^5 Вт/см^2, то начинается плавление металла, при интенсивности 10^7 Вт/см^2 – кипение металла, а при 10^9 Вт/см^2 лазерное излучение начинает сильно ионизировать пары вещества, превращая их в плазму.

Назначение и область применения лазеров

... новым средством ее передачи и обработки”. Широкое применение лазеров в современной науке и технике объясняется специфическими свойствами лазерного излучения. Лазер – это генератор когерентного света. В отличии от ... Еще один вид классификации основан на использовании понятия выходной мощности. Лазеры, у которых непрерывная (средняя) выходная мощность более 10^6 Вт, о маломощных с постоянной ...

Еще одной важной характеристикой лазера является расходимость лазерного луча. Наиболее узкий луч имеют газовые лазеры. Он составляет величину в несколько угловых минут. Расходимость луча твердотельных лазеров около 1…3 угловых градусов. Полупроводниковые лазеры имеют лепестковый раскрыв излучения: в одной плоскости около одного градуса, в другой – около 10…15 угловых градусов.

характеристикой лазера является диапазон длин волн, в котором сосредоточено излучение, т.е. монохроматичность. У газовых лазеров

монохроматичность очень высокая, она составляет 10^-10, т.е. значительно выше, чем у газоразрядных ламп, которые раньше использовались как стандарты частоты. Твердотельные лазеры и особенно полупроводниковые имеют в своем излучении значительный диапазон частот, т. е. не отличаются высокой монохроматичностью.

Очень важной характеристикой лазеров является коэффициент полезного действия. У твердотельных он составляет от 1 до 3,5%, у газовых 1…15%, у полупроводниковых 40…60%. Вместе с тем принимаются всяческие меры для повышения кпд лазеров, ибо низкий кпд приводит к необходимости охлаждения лазеров до температуры 4…77 К, а это сразу усложняет конструкцию аппаратуры.

2. Принцип работы лазера

Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения[1].

Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»).

Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу[2][3].

Светящийся луч в центре — это не собственно лазерный луч, а электрический разряд, порождающий свечение, подобно тому, как это происходит в неоновых лампах. Луч проецируется на экран справа в виде светящейся красной точки.

Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома, в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённым состоянии[4].

Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых (так называемая инверсия населённостей).

В состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические, электрические, химические и др.)[5].