Лазерная обработка материалов

–  высокой спектральной плотностью энергии;

–  монохроматичностью;

–  высокой временной и пространственной когерентностью;

–  высокой стабильностью интенсивности лазерного излучения в стационарном режиме;

–  возможностью генерации очень коротких световых импульсов.

Эти особые свойства лазерного излучения обеспечивают ему разнообразнейшие применения. Они определяются главным образом принципиально отличным от обычных источников света процессом генерации излучения за счет вынужденного излучения [8].

 

1.4  Классификация лазеров

 

В настоящее время имеется громадное разнообразие лазеров, отличающихся между собой активными средами, мощностями, режимами работы и другими характеристиками. Целесообразно использовать классификацию по активному элементу. Это наиболее распространенный вариант деления существующих лазеров, поэтому будем использовать именно его.

Газовые лазеры – лазеры, активной средой которых является смесь газов и паров. Отличаются высокой мощностью, монохроматичностью, а также узкой направленностью излучения. Работают в непрерывном и импульсном режимах (рисунок 1.4.1.). В зависимости от системы накачки газовые лазеры разделяют на газоразрядные лазеры, газовые лазеры с оптическим возбуждением и возбуждением заряженными частицами, газодинамические и химические лазеры. По типу лазерных переходов различают газовые лазеры на атомных переходах, ионные лазеры, молекулярные лазеры на электронных, колебательных и вращательных переходах молекул и эксимерные лазеры [9].

               

Рис. 1.4.1. Схема газового лазера

Из-за наименьшей расходимости луча CО2-лазеры являются самыми универсальными, так как позволяют располагать источник излучения вдали от зоны обработки без снижения качества лазерного луча. Эти лазеры используются в основном для резки и гравировки [3]. Активной средой в нем является углекислый газ. Добавлена система охлаждения, т.к. у этого лазера большая мощность излучения, что приводит к значительному нагреву (рисунок 1.4.2.).

 

 

 

 

Рис. 1.4.2. СО2-лазер

     Параметры CO2-лазера:

       длина волны – 530 нм (10,6 мкм);

      КПД – до 50%,

       мощность – 100 Вт.                                           

Помимо рассмотренных  выше газовых смесей в качестве активных сред могут применяться следующие  газы:  чистый неон ,криптон, ксенон, аргон и др.

–  Твердотельные лазеры в качестве активного элемента используют твердое тело (рисунок 1.4.3.). Первый такой лазер был выполнен на рубиновом стержне. Можно использовать также неодимовое стекло, алюмоиттриевый гранат и т.д. [7]. Накачка оптическая и от полупроводниковых лазеров, осуществляется по трех- или четырехуровневой схеме. Современные твердотельные лазеры способны работать в импульсном, непрерывном и квазинепрерывном режимах [10].

         

Рис. 1.4.3. Схема твердотельного лазера.

Твердотельные лазеры имеют  большую расходимость луча и менее  универсальны, чем газовые, но в импульсном режиме хорошо гравируют и режут металлы. Плохо обрабатывают неметаллические материалы, так как некоторые виды таких материалов являются либо полностью, либо частично прозрачными для лазерного излучения. Излучение более чувствительно к неровной поверхности материала, поэтому часто станки на основе твердотельного лазера комплектуются небольшими столами [3].

 Для твердотельных лазеров существует два типа накачки: оптическая (при помощи высокоинтенсивных газоразрядных ламп); при помощи дополнительного лазера.

На практике широкое  применение получил лазер на алюмоиттриевом гранате, активированным ионами неодима (рисунок 1.4.4.)

 

 

Рис.1.4.4. Лазер на алюмоиттриевом гранате

Характеристики лазера на алюмоиттриевом гранате:

      мощность - 5 кВт (но используют 500 Вт); 

      длина волны - 1,06 мкм (или 530 нм на частоте второй гармоники). 

Данный лазер обладает приемлемыми характеристиками, он давно выпускается, имеет хорошую мощность, поэтому нашел свое применение в промышленности для решения задач обработки металлов, резки и сварки.

–  Полупроводниковые лазеры – представляет из себя твердотельную активную среду, полученную путем соединения двух разнородных проводников p и n - типа. Состоит из микрохолодильника, контактной пластины и полупроводникового кристалла. На нижнюю грань прикладывается «минус», а к верхней подводится «плюс» (рисунок 1.4.5.) [7].

 

 

 

 

  

 

Рис.1.4.5. Схема полупроводникового лазера

Излучающая область лазера исключительно мала – порядка 10-11 см. Наиболее распространенным материалом для этих лазеров служит арсенид галлия GaAs [3].

Полупроводниковые лазеры характеризуются очень высоким КПД преобразования электрической энергии в когерентное излучение (близким к 100%) и могут работать в непрерывном режиме; высокой эффективностью преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения (до 30 – 50%); малой инерционностью, обуславливающая широкую полосу частот прямой модуляции (более 109 Ггц); простотой конструкцией; возможностью перестройки длины волны излучения и наличие большого числа полупроводников, непрерывно перекрывающих интервал длин волн от 0,32 до 32 мкм [2].

Полупроводниковые лазеры применяются в быту, спектроскопии, в системах накачки других лазеров, а также в медицине. На сегодняшний день полупроводниковые лазеры являются самыми популярными и востребованными. Это связано с их малыми размерами и энергопотреблением (рисунок 1.4.6.)

 

 

 

 

Рис. 1.4.6. Полупроводниковые лазеры

–  Жидкостные лазеры работают на растворах органических красителей и на неорганических жидкостях. Они способны перестраивать длину волны излучения в широких пределах и могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме.

Конструкция жидкостного  лазера состоит из активного элемента в виде колбы с жидким диэлектриком с примесными рабочими атомами. По характеристикам этот активный элемент очень похож на твердотельный. Жидкое вещество помещается в резонатор со сферическими зеркалами. Для накачки используется твердотельный лазер, расположенный рядом (рисунок 1.4.7.) [5].

             

Рис. 1.4.7. Схема жидкостного  лазера

Жидкостные лазеры на неорганических жидкостях и органических красителях находятся в стадии экспериментальных исследований. По энергетическим характеристикам они близки к твердотельным. Эти лазеры обеспечивают узкий спектр излучения и легко перестраиваются по частоте. Вследствие высокой оптической однородности жидкой активной среды угловая расходимость излучения у них меньше, чем у твердотельных, КПД жидкостных лазеров от 20 до 70 % [11]. Для жидкостного лазера нет необходимости изготавливать стекла высокого качества или тщательно выращивать кристаллы; нет проблем осуществить охлаждение, т.к. жидкость просто перегоняется и тем самым охлаждается (рисунок 1.4.8.). На сегодняшний день жидкостные лазеры не получили широкого использования [7].

Рис 1.4.8. Жидкостный лазер на красителях. Справа – насос,

        прокачивающий жидкость через холодильник

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ

 

Уникальные свойства лазерного луча, многообразие конструкций  современных лазеров и устройств на их основе обуславливают широкое применение лазерных технологий в различных областях человеческой деятельности: промышленности, науке, технике, медицине и быту. Появление лазеров и внедрение их во многие отрасли промышленности и науки произвело в этих отраслях в буквальном смысле революцию. Благодаря этому стало возможным развитие новых более эффективных технологий, повышение производительности труда, точности измерений и качества обработки материалов. Рассмотрим здесь лишь наиболее важные области применения лазерной техники.

 

2.1  Применение  лазеров в промышленности

 

Сразу же после появления  лазеров и начала исследования взаимодействия лазерного луча с различными материалами стало ясно, что этот инструмент может найти широкое применение в разнообразных промышленных технологических процессах [12].

Лазеры используются для резки, сварки и пайки деталей из различных материалов. Высокая температура излучения позволяет сваривать материалы, которые невозможно сварить обычными способами (керамику и металл). Луч лазера может быть сфокусирован в точку диаметром порядка микрона, что позволяет использовать его в микроэлектронике (так называемое лазерное скрайбирование). Лазеры используются для получения поверхностных покрытий материалов (лазерное легирование, лазерная наплавка, вакуумно-лазерное напыление) с целью повышения их износостойкости. Широкое применение получила также лазерная маркировка промышленных образцов и гравировка изделий из различных материалов. При лазерной обработке материалов на них не оказывается механическое воздействие, поэтому возникают лишь незначительные деформации. Кроме того весь технологический процесс может быть полностью автоматизирован. Поэтому лазерная обработка характеризуется высокой точностью и производительностью.

 

2.2  Применение лазеров в медицине

 

С появлением промышленных лазеров наступила новая эра  в хирургии. При этом пригодился опыт специалистов по лазерной обработке металла. Приваривание лазером отслоившейся сетчатки глаза – это точечная контактная сварка; лазерный скальпель – автогенная резка; сваривание костей – стыковая сварка плавлением; соединение мышечной ткани – тоже контактная сварка.

Для осуществления нового метода в хирургии профессор О. И. Скобелкин и его соавторы предложили при сварке тканей слегка их сдавливать, чтобы вытеснить кровь. Для этого способа был создан целый набор инструментов, который применяется сегодня в желудочно-кишечной хирургии, при операциях на желчных путях, селезенке, печени, легких.

Также широкое применение лазеры получили во многих областях медицины.

–  Косметическая хирургия – лазерная эпиляция, лечение сосудистых и пигментных дефектов кожи, лазерный пилинг, удаление татуировок и пигментных пятен; Установка КОСМЕТИК-2 (рисунок 2.2.1.) представляет собой лазер на АИГ:Nd с модуляцией добротности и удвоением частоты излучения.

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.2.1. Установка КОСМЕТИК-2

Характеристики АИГ:Nd лазера:

Длина волны: 1064, 532 нм;

Энергия импульса:  1064 нм – 0,8Дж;

           532 нм – 0,4Дж;  

Плотность энергии: 1064 нм – 8 Дж/cм2 при Ø 4.0 мм;

                                        532 нм – 5 Дж/cм2 при Ø 3.0 мм;

      Длительность импульса: 8 нс;

Частота повторения: 10 Гц;

Размер пятна: 1064 нм – 3,5,7 мм;

        532 нм – 2,3,5 мм;

Охлаждение: замкнутый водянной контур со сбросом тепла в воздух;

Питание: 220/240В, 1 кВт одна фаза;

Оптическая система: призменная;

Установка контролируется микропроцессором.

–  Стоматология – высокоэффективный современный метод лечения заболеваний слизистой оболочки рта и пародонта.

Особенности лазерной стоматологии. Лазер не затрагивает ткани зуба, а выпаривает воду, в них содержащуюся. При этом гибнут бактерии, уплотняется  зубная эмаль. Лазер не действует на здоровые ткани, работает очень деликатно, не вибрирует и не шумит, не нагревается и не обжигает. После проведения лечебной процедуры пациенты не испытывают боли, неприятного онемения, которое появляется при применении анестетиков. Обычное состояние дискомфорта, которое возникает после проведения операции, им незнакомо. Лазер также способствует регенерациии тканей.

Лазерная стоматология универсальна и применяется при  любых вмешательствах: болезней дёсен, отбеливании зубов, при протезировании и установке брекетов, а также при вживлении имплантатов.

Положительные стороны  использования лазера в стоматологии:

1. стоматолог проводит операции с максимальной точностью;
2. нет необходимости применять наркоз или иную анестезию;
3. практически полностью отсутствует кровотечение;

4. нет неприятных ощущений, которые появляются при нагревании и шуме бормашины.

–  Офтальмология (отслоение сетчатки; катаракта – заболевание, связанное с помутнением хрусталика глаза и вызывающее различные степени расстройства зрения; лазерная коррекция зрения – исправление нарушений рефракции глаз человека путем изменения кривизны наружной поверхности роговицы) (рис. 2.2.2.).

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.2.2. Лазерный офтальмологический аппарат

Длина волны излучения: 1079 нм

Энергия импульса: 0,5...10 мДж

Угол сходимости:  15°, 20°

Минимальный диаметр  фокального пятна: 20 мкм

Длительность импульса: 5...8 нс

Режим работы: Одиночные импульсы или пачки из    двух импульсов       

Лазерный офтальмологический аппарат представляет собой фотодеструктор, предназначенный для проведения микрохирургических операций на переднем отделе глаза и капсуле хрусталика сфокусированным лучом импульсного неодимого лазера, работающего в режиме модуляции добротности.