Типы мощных лазеров и области их применений.

Интерес к мощным лазерам определяется их способностью оказывать тепловое воздействие на различные материалы в условиях, когда излучение концентрируется в малоразмерное пятно. Соответственно появляются возможности различных приложений таких лазеров, в том числе и в качестве инструмента для технологической обработки материалов. Имеются в виду процессы резания и сваривания металлов и неметаллов, точного пробивания отверстий (сверление), термического упрочения поверхностей (закалка) и их очистки, нанесения маркировочных знаков, гравировка. Мощные лазеры внедряются в такие сферы промышлен­ного производства как автомобилестроение, судостроение, авиационное и космическое произ­водство, производство крупных установок для добычи нефти и газов и в некоторые другие об­ласти. В конце 80-х, начале 90-х годов лидером по внедрению лазерных технологий в промыш­ленность являлась Япония, за ней следовали США и европейские страны, среди которых пер­венство принадлежало Германии.

Лазерные технологии не вытесняют традиционные способы обработки материалов, они со­существуют с ними, занимая те «экологические» ниши, в которых оказываются более выгод­ными, более производительными и экономически оправданными. Надо помнить, что стоимость лазерного оборудования и его эксплуатации, как правило, существенно выше, чем стоимость хороших механических, ультразвуковых и даже плазменных обрабатывающих станков. Но в определенных случаях только лазерный луч оказывается способным выполнить ряд технологи­ческих операций, необходимых для изготовления наукоемких изделий и тогда вопросы стоимо­сти перестают играть ведущую роль.

Назову некоторые особые области применения мощных лазеров: в медицине для проведения некоторых сложных операций применяют лазерные скальпели; мощные лазерные лидары ис­пользуются для дистанционного обнаружения опасных с экологической точки зрения выбросов или наличия в атмосфере распыленных отравляю­щих веществ; известны многочисленные во­енные приложения таких лазеров; рас­сматриваются проекты по осуществлению передачи лучи­стой энергии с Земли на космические станции и, наоборот, из космоса на Землю; путем лазер­ного облучения намереваются осуществлять коррекцию орбит околоземных спутников и т.д. Важную роль выполняют мощные лазеры в научных исследованиях по проведению управляе­мого термоядерного синтеза, при исследованиях взаимодействия мощного излучения с вещест­вом. Но сегодня только лазерная промышленная технология пользуется заметным международ­ным спросом.

Существующее разнообразие типов лазеров вызывает необходимость их классификации. Прежде всего, лазеры различают по агре­гатному состоянию активной среды, разделяя их на твердотельные (в этой группе отдельно рас­сматривают полупроводниковые лазеры), жидкостные и газовые. Далее, лазеры подразделя­ются на группы по способу накачки: существует оптическая накачка, электрическая и электро­разрядная накачки, химическая накачка и накачка с использованием потоков заря­женных мик­рочастиц, прежде всего электронов. Далее, различают лазеры по режиму их функционирования: используется три таких режима – импульсный, частотно-им­пульсный и непрерывный.

Далеко не все типы лазеров в принципе способны генерировать мощное высокоэнергетичное излучение. В данной книге я ограничусь рассмотрением только двух разновидностей лазеров, которые широко применяются сегодня в технологических процессах обработки материалов и в научных исследованиях взаимодействия лазер­ного излучения с веществом. Это, прежде всего СО₂ лазеры, активная газовая среда у которых состоит из определенной смеси газов, где главную роль играют молекулы двууглекислого газа. Накачка таких лазеров производится с помощью электрического разряда в газе или комбинированным способом, когда к разряду до­бавляется поток быстрых электронов. СО₂ лазеры способны работать во всех ранее перечис­ленных режимах генерации – в импульсном, частотно-импульсном и непрерывном.

Второй тип лазеров, подлежащий рассмотрению – твердотельные лазеры на стеклах с при­садкой неодима или на алюмоиттриевом гранате с присадкой того же неодима (YAG: Nd). На­качка этих лазеров осуществляется оптическим путем с использованием высокоинтенсивных импульсных источников света. Лазеры со стеклами в качестве активной среды работают только в импульсном режиме генерации, а YAG обеспечивает возможность получения генерации и в частотно-импульсном режиме с частотами не выше нескольких десятков герц.

Мощное лазерное излучение может быть получено и в некоторых других лазерных системах. Например, созданы мощные химические лазеры, использующие в активной среде соединения DF и HF. Они генерируют излучение в инфракрасной области спектра на длинах волн 3-4 мкм с мощностью до нескольких сотен кВт. Большие энергии в импульсе получены в так называемых лазерах с взрывной накачкой – до 1 МДж. Внушительные энергии в импульсе при очень корот­кой их длительности получены с фотодиссоционными лазерами. Но все эти системы не при­годны в производственных условиях для проведения технологических операций, поэтому их рассмотрение в книге исключается.

В заключении остается уточнить понятие «техники мощных лазеров». Предполагается, что читатель, в общем, знаком с принципами функционирования лазеров, с оптическими резонато­рами и основными особенностями источников электропитания. По этим разделам техники име­ется большое число хороших учебных книг, к которым при необходимости читатель сможет обратиться. В данной книге речь пойдет о конкретных технических средствах, обеспечиваю­щих реализацию больших мощностей и энергий в установках двух обозначенных выше типов лазеров. Однако технические решения проблемы создания мощного лазера невозможно полу­чить без понимания физических принципов работы каждого конкретного устройства. Поэтому физические аспекты будут нами рассматриваться в тесной связи с особенностями рассматри­ваемого лазера.

Вместе с тем важно понять, каким образом высокоэнергетичное лазерное излучение может быть использовано в качестве инструмента для так называемой «силовой» обработки конструктивных материалов. Рассмотрению этой проблемы будет посвящен четвертый раздел книги, в котором приводятся экспериментальные результаты исследования условий, обеспечивающих проведение силовых технологических про­цессов и используемых для этого лазерных станков.

Дата добавления: 2015-10-16