Основні відомості про процес лазерної обробки

У технологічних цілях для вирішення таких завдань, як прошив-ка отворів, резка металів, зварка, поверхневе зміцнення деталей, динамічне балансування тіл обертання і т.д. починає широко застосовуватися обробка променем лазера.

Лазерна обробка заснована на застосуванні могутнього світлового потоку, що викликає плавлення або випаровування оброблюваного матеріалу. При цьому процес взаємодії лазерного випромінювання з оброблюваним матеріалом розділяється на наступні основні стадії: поглинання світла з подальшою передачею енергії тепловим коливанням грат твердого тіла; нагрівання матеріалу без руйнування, включаючи і плавлення; руйнування матеріалу шляхом випаровування і викиду його розплавленої частини; охолодження після закінчення дії. Нагрівання і плавлення використовується при термообробці і зварці різних матеріалів, а на випаровуванні і викиді розплавленої частини засновані операції розмірної обробки (свердлення, різка і ін.).

Можливість отримання високої щільності світлового потоку обумовлена малою расходимостью лазерного випромінювання (що є наслідком його високої просторової когерентності), завдяки чому лазерний промінь легко можна направити в задану область простору за допомогою системи дзеркал, призм або световодов і сконцентрувати велику частину його енергії в малій області оброблюваного матеріалу за допомогою фокусуючої оптичної системи.

Можливість гострого фокусування лазерного випромінювання в значній мірі визначається його високою монохроматичностью (вузьким спектральним інтервалом). Випромінювання немонохроматичного джерела (наприклад, Сонця) неможливо сфокусувати на майданчик діаметром в 1 мкм із-за явища хроматичній аберації - властивості оптичних систем фокусувати світло різної довжини хвилі в різні крапки. Звідси щільність такого випромінювання не перевищує 2,5*103 Вт/см2, що достатньо тільки для плавлення деяких тугоплавких металів. Лише джерело монохроматичного світла дозволяє сфокусувати світлове випромінювання на майданчику, лінійні розміри якого порівнянні з довжиною хвилі фокусованого випромінювання, забезпечуючи щільність світлового потоку до 1014 Вт/см2, що дозволяє плавити і випаровувати будь-які матеріали незалежно від їх физико-механічних характеристик.

У основі принципу дії лазера[1] лежить явище вимушеного (або індукованого) випромінювання для генерації когерентних електромагнітних коливань в оптичному діапазоні спектру.

Як відомо, разом із спонтанним випромінюванням збудженого атома (атоми випромінюють світло незалежно один від одного) існує вимушене (або індуковане) випромінювання: атоми випромінюють під дією зовнішнього быстропеременного електромагнітного поля, наприклад, світла, при цьому атом випромінює вторинну хвилю, у якої частота, поляризація, напрям розповсюдження і фаза повністю співпадають з характеристиками зовнішньої хвилі, що діє на атом.

Саме ця особливість вимушеного випромінювання дозволяє використовувати його для посилення електромагнітних хвиль і для створення генераторів когерентного світла. Щоб здійснити це практично необхідно виконати наступні умови;

1. Потрібна робоча речовина з інверсною населеністю. Стан речовини, в якій число атомів на одному з рівнів з вищою енергією більше числа атомів на рівні з меншою енергією називається активним або станом з інверсною населеністю.

2. Друга проблема - проблема зворотного зв'язку. Для того, щоб світло управляло випромінюванням атомів, необхідно, щоб частина випромінюваної світлової енергії весь час залишалася усередині робочої речовини, викликаючи вимушене випромінювання світла все новими і новими атомами. У простому випадку робоча речовина поміщається між двома дзеркалами, одне з яких напівпрозоро. Випущена в якому-небудь місці в результаті спонтанного переходу атома світлова хвиля посилюється за рахунок вимушеного випускання при розповсюдженні її через робочу речовину. Дійшовши до напівпрозорого дзеркала, світло, частково пройде через нього. Ця частина світлової енергії випромінюється лазером в зовні і може бути використана. Частина світу, що відбилася, від напівпрозорого дзеркала дасть початок новій лавині фотонів.

3. Посилення, що дається робочою речовиною, а значить, числа збуджених атомів або молекул в робочій речовині повинне бути більше порогового значення, залежного від коефіцієнта віддзеркалення напівпрозорого дзеркала. Тобто посилення на подвійній відстані між дзеркалами повинне бути таким, щоб на напівпрозоре дзеркало поверталася кожного разу світлова енергія, не менша, ніж в попередній раз. Інакше наступить процес ослаблення випромінювання, який приведе до загасання світлового потоку. Ясно, що чим менше коефіцієнт віддзеркалення напівпрозорого дзеркала, тим великим пороговим посиленням повинна володіти робоча речовина.

 

При виконанні цих трьох умов ми отримуємо систему, здатну генерувати когерентне світло, і звану лазером або оптичним квантом генератором (ОКГ).

Характеристики ОКГ в значній мірі визначаються агрегатним станом активної речовини. За цією ознакою розрізняють твердотільні, газові і рідинні ОКГ. У окрему групу виділяють напівпровідникові ОКГ, хоча використовувані в квантовій електроніці напівпровідники є твердими тілами. Пояснюється це тим, що характер генерації в напівпровідниках істотно відрізняється від генерації в звичайних твердотільних ОКГ. У свою чергу, кожна з груп може бути підрозділена на дрібніші підгрупи. Наприклад, в газових ОКГ можуть бути використані енергетичні рівні молекул, атомів або іонів. У зв'язку з цим газові лазери підрозділяються на молекулярні, атомарні і іонні.

Будь-який ОКГ включає з себе пристрій (систему накачування), в якому використовується яке-небудь фізичне явище, що дозволяє здійснювати інверсію необхідної величини. Розрізняють оптичне накачування - при опромінюванні робочої речовини світлом певної частоти - і електричну - при проходженні струму через робочу речовину. Останнім часом велика увага приділяється хімічному накачуванню, коли інверсія виникає при тій або іншій хімічній реакції. У деяких типах лазерів, наприклад, газових, можна зустріти ОКГ з оптичною і електричною, так і з хімічним накачуванням. Напівпровідникові ОКГ можуть мати електричне або оптичне накачування. У твердотільних ОКГ електричне накачування не здійснюється, оскільки використовувані тверді тіла для ОКГ є діелектриками.

 

Зі всіх представлених квантових генераторів енергетичні параметри рідинних і напівпровідникових ОКГ в даний час не досягли рівня, що забезпечує ефективне застосування їх в технологічних цілях.

Першими для обробки матеріалів стали використовувати твердотільні лазери на рубіні і склі з неодимом. Принцип дії, параметри і можливість цих генераторів приблизно однакові. Останнім часом розроблений перспективний лазер на ітрій - алюмінієвому гранаті (ИАГ) з домішкою неодима, який в даний час дає рекордну для твердотільних ОКГ потужність випромінювання, рівну 1,1 кВт при роботі в безперервному режимі.

Порівняно недавно почали застосовувати газові лазери (активні середовища: He-Ne; N2; Ar; He-Cd; CO2-N2-H2 і ін.), їх ККД на порядок вище твердотільних і складає 10-25 %.

Більшість ОКГ (твердотільних і газових) можуть працювати як в безперервному, так і імпульсному режимі. Проте перший характерний для газових ОКГ, второй- для твердотільних.

Принцип дії ОКГ розглянутий на прикладі твердотільного лазера (див. рис.5.1 1,2).

Створення інверсії населенностей в твердотільних лазерах проводиться оптичним накачуванням за допомогою ламп-спалахів (в) світловий потік яких поглинається робочою речовиною (а), порушуючи його.

Живлення лампи-спалаху здійснюється від джерела (2). Для кращої концентрації світлового потоку на елементі застосовується рефлектор (г). Значна частина енергії (до 50 %), поглиненої активним елементом, витрачається на його нагрів, погіршуючий роботу лазера. Щоб виключити це застосовують систему охолоджування (3). Промінь світла, що випускається активним елементом, посилюється за рахунок багатократного віддзеркалення від глухого дзеркала (б) і вихідного напівпрозорого дзеркала (б) і виходить з оптичного резонатора у вигляді вузьконаправленого світлового променя (д) з малим кутом расходимости, який за допомогою оптичної системи (4) можна сфокусувати в крапку, лінію, групу паралельних ліній, коло і т.д.

Мал. 5.1. Схема ОКГ на твердому тілі (1) і структура імпульсу випромінювання (2):

1- лазерна головка (а- активний елемент, б1, б2- глухе і напівпрозоре дзеркала резонатора, в- лампа накачування, г- рефлектор, д- лазерний промінь), 2- джерела живлення лампи накачування, 3- блоку охолоджування, 4- оптична система, 5- наглядова система, 6- робочий стіл, 7- заготівки, 8- блоку управління.

Діапазон довжин хвиль, що генеруються різними типами лазерів, вельми широкий і складає приблизно від 0,1-70 мкм. Для технологічних цілей зазвичай використовують ОКГ, у яких довжина хвиль () знаходиться в межах 0,4-10,6 мкм. Діаметр світивши на виході 0КГ (без системи 4) визначається розмірами активного елементу і залежить в основному від енергії накачування WH. Не дивлячись на те, що лазерний промінь високо когерентний, він має певну кутову расходимость () , яка визначається як:

(5.1)

де dл - діаметр світивши в місці його виходу з резонатора. Практично із-за дифракційних явищ величина на 1-2 порядки більше розрахунковою і складає одиниці або декілька десятків кутових хвилин.

 

Тривалість імпульсу визначається тривалістю імпульсного розряду ламп накачування, оптичними властивостями активного елементу властивостями резонатора і температурним режимом. У твердотільних ОКГ =0,1-5 мс., при цьому впродовж всього імпульсу генерація відбувається окремими пучками, послідовність яких, як правило, нерегулярна =1,0-5мкс, а тривалість інтервалу між пучками складає 0,1-0,5 мкс протягом основного часу генерації і можуть збільшуватися до десятків і сотень мікросекунд в кінці світлового імпульсу (див. мал. 5.1 4). Середня потужність імпульсного випромінювання твердотільних ОКГ лежить в діапазоні від одиниць до сотень кіловат. Потужність газових лазерів на нейтральних атомах складає милливатты, а у молекулярних від одиниць ватів до сотень ватів. Останнім часом розроблені СО2 -лазеры з швидким поперечним прокачуванням газу, циркулюючого в замкнутому об'ємі. Як випливає із зарубіжного друку, при порівняно невеликих габаритах на них вдається отримати рівні потужності 6-10 кВт

у безперервному режимі генерації.

Вихідна енергія твердотільних лазерів знаходиться в межах від доль джоуля до тисяч джоулів, а ЩД їх не більше 1-2 %.

Середня щільність потоку енергії в поперечному перетині світивши при використанні фокусуючих оптичних систем, як вже наголошувалося, може досягати 10 Вт/см, зварка і резка тонких плівок здійснюється при щільності менше 10 Вт/см, а розмірна обробка матеріалів значної товщини при щільності потоку більше 107-108 Вт/см і тривалість імпульсу менше 1,5 мс.