11.3.2. ЛАЗЕРНЫЕ ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

11.3.2. ЛАЗЕРНЫЕ ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

За короткое время лазерные приборы нашли широкое применение не только в науке (физика, химия, биология), но и в промышленных технологиях. Рассмотрим преимущественно становление лазерной техники для резки, сварки и термообработки.

Развитие квантовой электроники берет начало от первых работ В.А. Фабриканта и его сотрудников, высказавших в 1951 г. идеи о возможности использования неравновесных квантовых сред (в частности, неравновесно возбужденных состояний атомов ртути). В 1953 г. советские ученые Н.Г. Басов и А.М. Прохоров в целях усиления и генерации электромагнитных колебаний СВЧ-диапазона предложили использовать излучение «активных» молекул аммиака NH₃. Были заложены основы теории и создан действующий образец молекулярного генератора — мазера [Н.Г. Басов и A.M. Прохоров в СССР, Ч. Таунс (С. Townes), США, 1954 г.]. Важнейшей для реального создания квантовых приборов явилась идея использования открытых резонаторов [A.M. Прохоров, 1958 г. и независимо А. Шавлов и Р. Дикке (A. Shavlov, R. Dicke), США], составляющих в настоящее время основу конструкции всех лазеров.

Примерно в то же время в США велась активная работа в данном направлении. В 1958 г. были опубликованы теоретические работы Ч. Таунса и А. Шавлова о возможности создания квантового генератора оптического диапазона. В 1960 г. Т.Г. Мейманом (T.G. Meiman, США) был запущен первый лазер, а в 1961 г. разработана теория лазерного эффекта. В этом первом лазере в качестве активной среды использовался кристалл рубина. В том же году в США был создан первый гелий-неоновый газовый лазер [А. Джаван, У. Беннет, Д. Эрриот (A. Javan, W. Bennet, D. Erriot)].

Основополагающие работы в области квантовой электроники были отмечены в 1964 г. присуждением Нобелевской премии Н.Г. Басову, A.M. Прохорову (СССР) и Ч. Таунсу (США). Дальнейшие работы привели к созданию разнообразных типов лазеров: твердотельных; газовых (атомарных, ионных, молекулярных); на красителях; химических; полупроводниковых.

Для размерной обработки (резки, сварки, термообработки) наиболее подходящими оказались твердотельные и газовые молекулярные (в основном СO₂) лазеры.

При воздействии сфокусированного мощного (сотни ватт и более) лазерного излучения на поверхность твердого тела вещество нагревается, плавится, частично испаряется и ионизируется. В неоднородно нагретом веществе возникают сложные течения жидкости, паров, плазмы и окружающего газа. Перемешивание вещества оказывает, в свою очередь, существенное влияние на распространение лазерного излучения, приводя к дополнительной фокусировке либо дефокусировке.

Экспериментальные и теоретические исследования воздействия сфокусированного лазерного излучения при обработке материалов позволили определить основные моменты, качественно влияющие на обработку.

Исследования процессов при воздействии сфокусированного лазерного излучения и оптимизации лазерных характеристик позволили реализовать в нашей стране определенный набор лазеров и лазерных технологических комплексов. Сегодня имеется отечественное промышленное технологическое оборудование, использующее газовые лазеры. Это, в частности:

одномодовый СO₂-лазер мощностью 80 Вт (НПО «Исток»);

одномодовый СO₂-лазер мощностью 1 кВт с быстрой аксиальной прокачкой (г. Кстово Нижегородской обл.). Накачка производится продольным самостоятельным разрядом. При использовании двух координатного стола с компьютерным управлением может быть применен для резки металлических листов (скорость до 3 м/мин при толщине 1 мм), а также для резки фанеры и древесины толщиной до 40 мм;

быстропроточные газовые лазеры (МНТК ТЛ, г. Шатура Московской обл.) мощностью 1–1,5 кВт. Накачка производится самостоятельным поперечным разрядом. При использовании координатного стола может быть применен для резки и сварки. Возможно использование лазера для очень скоростной (вплоть до 15–20 м/мин) резки тонколистовых металлов, лазерной сварки, термообработки.

В твердотельных лазерных комплексах накачка проводится излучением ксеноновой лампы, возбужденной либо импульсно-периодическим, либо непрерывным сильноточным разрядом.

Лучшими параметрами обладает твердотельный комплекс ГПТЛ-100/500 (НПО «Ротор», г. Черкассы), в котором лазер излучает импульсы длительностью 0,4–0,8 мс с частотой следования до 150 Гц при средней мощности до 100 Вт. Двухкоординатный стол, сопряженный с персональным компьютером, имеет рабочее поле 450x500 мм при скорости перемещения до 3 м/мин. Этот лазерный комплекс предназначен для прецизионной резки тонколистовых металлов толщиной до 3 мм (скорость резки до 400 мм/мин при толщине листов нержавеющей стали 1 мм).

На базе быстропроточного газового лазера ТЛ-5, модернизированного твердотельного лазерного излучателя со средней мощностью до 250 кВт и двухкоординатного стола с рабочим полем 3x4 м и скоростью перемещения до 3,5 м/мин в ВЭИ разработан универсальный лазерный комплекс.