Лазерная обработка материалов

ВВЕДЕНИЕ

 

Наука о лазерах и  лазерной технологии является бурно  развивающейся областью знаний. В  последние годы сделаны открытия принципиально новых типов лазеров, обладающих высоким коэффициентом полезного действия, простых и удобных в эксплуатации, обеспечивающих высокую надежность и, таким образом, весьма пригодных для применения в различных отраслях промышленности. В результате этого существенно расширился диапазон выполняемых функций лазерной техники. Наряду с увеличением производительности и качества  традиционных лазерных технологических процессов обработки были разработаны новые процессы, обеспечивающие общий прогресс развития теории и практики в технологии машиностроения [1].

Целью курсовой работы является рассмотрение теоретических основ  лазерной обработки материалов, а именно понятие и классификация лазеров, область их применения.

Изобретение лазеров  стоит в одном ряду с наиболее выдающимися достижениями науки и техники XX века. Первый лазер появился в 1960 году, и с тех пор происходит бурное развитие лазерной техники. В короткое время были созданы разнообразные типы лазеров и лазерных устройств, предназначенных для решения конкретных научных и технических задач.

Содержание курсовой работы представляет собой совокупность современного уровня знаний и достижений в лазерной технологии.

 

 

 

 

 

 

 

 

1.  ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ

 

1.1  Перспективы  развития лазерной техники и технологии

 

Развитие современного производства обуславливает все  возрастающее внедрение наукоемких технологий. К ним относятся лазерная обработка материалов. Такая обработка является одной из технологий, которые определяют современный уровень производства в промышленно развитых странах. Использование лазерной обработки материалов позволяет обеспечить высокое качество получаемых изделий, заданную производительность процессов, экологическую чистоту, а также экономию людских и материальных ресурсов.

В настоящее время  применение лазерных технологий в машиностроительном производстве чрезвычайно разнообразно. К числу таких технологий относятся сварка, термоупрочнение, легирование, наплавка, резка, размерная обработка, маркировка, гравировка, прецизионная микросварка и многие другие. В некоторых случаях лучевые технологии находятся вне конкуренции, так как с помощью лазеров можно получить технические и экономические результаты, которых нельзя достичь другими техническими средствами.

Спектр оборудования, используемого для лазерной обработки  материалов, чрезвычайно широк. Большинство производителей поставляют на рынок не отдельные технологические лазеры, а лазерные технологические комплексы. В них имеются устройства внешней оптики, управляемые столы, манипуляторы, роботы для перемещения изделия во время обработки, а также программное обеспечение, необходимое для реализации конкретной технологии.

Важным преимуществом  лазеров является сравнительно простая возможность управления временной структурой излучения. Это осуществляют как путем управления накачкой, так и использованием акустооптических затворов.

Одним из последних достижений в области лазерных технологий стало создание мощных волоконных лазеров (до 20 кВт). Их использование позволяет получить различные временные характеристики излучения в спектральном диапазоне от 1 до 2 мкм. Область их применения весьма разнообразна: лазерная резка и сварка металлов, маркировка и обработка поверхностей, полиграфия и скоростная лазерная печать, лазерные дальномеры и трехмерные локаторы, аппаратура для телекоммуникаций, медицинские установки и т.д.

Ведущими мировыми производителями лазерной техники являются США, Германия, Япония и Россия. Российские предприятия предлагают почти все виды лазерной техники – от технологических установок для обработки материалов до медицинской аппаратуры, измерительных приборов и телекоммуникационного оборудования [1].

 

1.2  Сущность, принцип действия лазера

 

Лазер – источник электромагнитного излучения, основанный на вынужденном излучении атомов и молекул. Лазерный луч обладает рядом замечательных свойств:

–  распространяется на большие расстояния и имеет строго прямолинейное направление;

–  движется очень узким пучком с малой степенью расходимости;

–  обладает высокой монохромностью;

–  в широких пределах можно управлять длительностью излучения: от сколь угодно длительных до сверхкоротких (вплоть до 10-15 с.) импульсных вспышек;

–  обладает большой теплотой и может пробивать отверстие в любом материале

–  световая интенсивность луча больше, чем интенсивность самых сильных источников света;

–  не имеет опасного радиационного воздействия, как, например, рентгеновские, космические или гамма лучи;

–  излучение лазеров может быть в видимом, в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазонах [2].

  Слово «лазер» составлено из начальных букв (аббревиатура) слов английской фразы «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что означает «усиление света в результате вынужденного излучения» [3].

Физической основой  работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения (рисунок 1.2.1.). 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.

Рис. 1.2.1. Вынужденное испускание фотона

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

Первоисточником генерации  является процесс спонтанного излучения (рисунок 1.2.2.), поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два зеркала, одно из которых полупрозрачное – через него луч лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы (вращающиеся призмы, ячейки Керра и др.) для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности (так называемые гигантские импульсы). Этот режим работы лазера называют режимом модулированной добротности.

Рис. 1.2.2. Спонтанное испускание фотона

Генерируемое лазером  излучение является монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), поскольку вероятность  излучения фотона определённой длины  волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом, луч лазера имеет очень малый угол расходимости. Наконец, луч лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляроиды (ими могут служить плоские стеклянные пластинки), установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера [4].

 

1.3  Устройство лазера

 

Все лазеры состоят из трёх основных частей (рис.1.3.1):

–  активной (рабочей) среды;

–  системы накачки (источник энергии);

– оптического резонатора (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя).

 

 

 

 

 

      Рис. 1.3.1. Схема лазера.

1 – активная среда; 2 – энергия накачки лазера; 3 – непрозрачное зеркало;

4 – полупрозрачное зеркало; 5 – лазерный луч.

Каждая из них обеспечивает для работы лазера выполнение своих определённых функций [5].

–  Активная среда позволяет получить индуцированное излучение, может быть: твердой (кристаллы рубина или алюмо-иттриевого граната, стекло с примесью неодима в виде стержней различного размера и формы), жидкой (растворы анилиновых красителей или растворы солей неодима в кюветах), газообразной (смесь гелия с неоном, аргон, углекислый газ, водяной пар низкого давления в стеклянных трубках).

–  Источник энергии (электрический ток, импульсная лампа или химическая реакция) переводит в возбужденное состояние активные частицы, позволяя получить излучение. Этот процесс называется накачкой. Накачки бывают оптическими, химическими, электронными и т.д.

Классическая трёхуровневая система  накачки рабочей среды используется, например, в рубиновом лазере (Рис.1.3.2). Рубин представляет собой кристалл корунда Al₂O₃, легированный небольшим количеством ионов хрома Cr₃+, которые и являются источником лазерного излучения. Из-за влияния электрического поля кристаллической решётки корунда внешний энергетический уровень хрома E₂ расщеплён. Именно это делает возможным использование немонохроматического излучения в качестве накачки. При этом атом переходит из основного состояния с энергией E0 в возбуждённое с энергией около E2. В этом состоянии атом может находиться сравнительно недолго (порядка 10−8 с), почти сразу происходит безизлучательный переход на уровень E1, на котором атом может находиться значительно дольше (до 10−3 с), это так называемый метастабильный уровень. Возникает возможность осуществления индуцированного излучения под воздействием других случайных фотонов. Как только атомов, находящихся в метастабильном состоянии становится больше, чем в основном, начинается процесс генерации.

В некоторых лазерах, например в неодимовом, генерация  излучения в котором происходит на ионах неодима Nd₃+, используется четырёхуровневая схема накачки. Здесь между метастабильным E2 и основным уровнем E0 имеется промежуточный — рабочий уровень E1. Вынужденное излучение происходит при переходе атома между уровнями E2 и E1 [6].

Рис. 1.3.2: а — трехуровневая схема накачки активной среды лазера;

    б — четырехуровневая схемы накачки активной среды лазера.

–  Резонатор представляет из себя два параллельных друг другу зеркала (плоские, сферические, комбинации плоских и сферических и др.), между которыми помещается активная среда. Одно зеркало имеет 100 % отражения и называется «глухим». Второе зеркало является полупрозрачным и называется «выходным». Свет многократно проходит по резонатору и выходит через выходное зеркало в виде узконаправленного высококогерентного пучка света.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.3.3. Принципиальная схема резонатора:

1 - выходное окно, 2 - 5 - зеркала, 6 - цель

У лазеров с большой  мощностью выделяется много тепла при работе, которое обязательно надо отводить. Поэтому также существует система охлаждения. У маломощных лазеров системы охлаждения нет.

Основные параметры  лазерного излучения:

–  длина волны излучения – от этого параметра зависит цвет светового пучка. Длина волны зависит от используемой активной среды.

–  мощность лазерного излучения – энергетическая характеристика излучения. Этот параметр существует только у лазеров, работающих в непрерывном режиме. Для импульсных лазеров применяются понятия энергии отдельного импульса и средней мощности. У таких лазеров есть дополнительные важные параметры: длительность импульса и частота импульса. От мощности лазерного излучения зависит то, где этот лазер может применяться. Лазеры с мощностью около мегаватта используются в качестве целеуказателей, индикаторов и т.д. Мощности около ватта и киловатта позволяют производить механическое воздействие на различные материалы. Такие лазеры могут применяться для обработки материалов, их резки и т.д.

–  расходимость излучения – характеризует величину светового пятна при удалении от излучателя. Измеряется в градусах. Как правило для точных стабильных лазеров это очень малые значения, т.к. лазерное излучение является узконаправленным, практически нерасходимым. У газовых лазеров расходимость находится в пределах нескольких угловых минут. У твердотельных лазеров расходимость хуже – несколько градусов. У полупроводниковых лазеров расходимость имеет лепестковый характер - 15-30 градусов.

–  коэффициент полезного действия – у твердотельных – до 3,5 %, у газовых – до 15 %, у полупроводниковых - до 60 % [7].

Лазерное излучение  отличается от излучения обычных  источников света следующими характеристиками: