Лазерная обработка. Основные сведения. Структурная схема лазерной установки

Прежде чем рассматривать особенности лазерной обработки, ознакомимся с принципом действия лазера. При нахождении системы {твердого тела или газа) в состоянии теплового равновесия (рис. 1, а) ее частицы (атомы, молекулы, ионы) располагаются в основном на нижних энергетических уровнях 1, 2 и 3. Если каким-либо способом (например, бомбардировкой электронами) эту систему привести в состояние возбуждения — накачки, часть частиц с нижних энергетических уровней перейдет на верхние i и j  (рис. 1, б), т.е. населенность нижних энергетических уровней уменьшится, а верхних увеличится. Распределение частиц, при котором населенность верхнего уровня больше населенности нижнего, в квантовой механике называют инверсным или населенностью, образовавшейся в результате перемещения частиц, изменения их обычного порядка. В таком состоянии система неустойчива, поэтому возможны переходы частиц с верхнего уровня на соседний нижний, сопровождающиеся выделением энергии излучения (рис. 1, в), количественно выражаемой квантами света (фотонами). Возбужденная система не поглощает, а усиливает падающую радиацию, и вынужденное испускание света (имен в виду, что свет – это электромагнитные волны) при этом превышает поглощение при переходах частиц с уровня  Iна уровень j.

Рис.1. Расположение частиц (атомов, молекул, ионов) твердого тела или газа на различных энергетических уровнях:

а -  в состоянии теплового равновесия; б – в инверсном состоянии; в – в состоянии перехода с верхнего уровня на нижний.

Для практического использования выделяемых системой квантов света необходимо их значительно усилить. В качестве усилителя используется лазер (рис. 2), имеющий оптическое возбуждение (накачку). Возбуждение может быть также электрическим и химическим. Лазер состоит из излучателя 3, двух газоразрядных импульсных ламп 1 и двух зеркал 2 и 4.

Рис. 2. Схема лазера с оптическим возбуждением:

1 – газоразрядные лампы импульсного действия; 2, 4 – зеркала со 100 и 99%-ным коэффициентом отражения; 3 – излучатель.

Предположим, что зеркало 2 имеет коэффициент отражения 100 %, зеркало 4 — 99 % и усиление светового потока за один проход излучателя равно 10. Тогда после прохождения сквозь излучатель одного светового кванта к зеркалу 2 подойдет 10 квантов, а отразившись от него и пройдя его снова, к зеркалу 4 вернется уже 100 квантов. От зеркала 4 отразится 99 квантов, а один выйдет в виде оптического (светового) пучка. После завершения еще одного цикла в световом потоке будет 9900 квантов, из которых 99 выйдут за пределы лазера, а 9801 продолжит следующий цикл, который увеличит их количество еще в 100 раз.

Многократное усиление эквивалентно увеличению длины активного элемента. Поток лучистой энергии, называемый лазерным лучом или пучком, возникает при условии, что усиление энергии светового потока за двойное прохождение внутри излучателя больше или, по крайней мере, равно потерям этой энергии при выходе ее за пределы лазера.

Известно, что свет представляет собой электромагнитные волны. Поэтому воздействие светового луча на обрабатываемый материал можно рассматривать как воздействие электромагнитного поля волны на атомы или молекулы вещества. Вследствие этого часть энергии электромагнитной волны превращается в теплоту, а часть отражается. Если световой поток обладает высокой плотностью (т.е. распределен на очень малой площади), выделяющаяся под действием светового луча теплота будет достаточной для расплавления и испарения вещества в зоне контакта.

Такая обработка осуществляется на лазерной установке (рис. 3), которая кроме лазера снабжена рядом блоков и систем, предназначенных для расширения ее технологических возможностей. Например, оптическая система 3 служит для фокусирования и точного направления лазерного луча на обрабатываемое изделие 6, которое расположено на рабочем столике 7 и может автоматически перемешаться по режиму, заданному программным устройством 10 с датчиком параметров технологического процесса 9. Дня контроля параметров излучения лазера 1 служит датчик 2 с устройством преобразования сигнала.

Лазерную обработку, если необходимо, можно выполнять в атмосфере инертного газа, в вакууме или подавать в зону обработки вспомогательную энергию (механическую, электрическую и др.). Для этого в установке предусмотрены система подачи технологической среды 8 и источник 4 вспомогательной энергии.

Рис. 3. Структурная схема лазерной установки:

1 – лазер; 2, 9 – датчики параметров излучения и технологического