Винахід лазера стоїть водному ряду з найбільш видатними досягненнями науки і техніки XX віку. Перший лазер з'явився в 1960 р, і відразу ж почався бурхливий розвиток лазерної техніки. У короткий час були створені різноманітні типи лазерів і лазерних пристроїв, призначених для рішення конкретних наукових і технічних задач. Лазери вже встигли завоювати міцні позиції в багатьох галузях народного господарства. Лазер - це генератор когерентного світла. На відміну від інших джерел світла (наприклад, ламп розжарювання або ламп денного світла) лазер дає оптичне випромінювання, що характеризується високою мірою впорядкованості світлового поля або, як говорять, високою мірою когерентності.
Таке випромінювання відрізняється високої монохроматичностью і спрямованістю. У наші дні лазери успішно трудяться на сучасному виробництві, справляючись з самими різноманітними задачами.
Лазерним променем розкроюють тканини і ріжуть стальні листи, зварюють кузови автомобілів і приварюють найдрібніші деталі в радіоелектронній апаратурі, пробивають отворив крихких і сверхтвердих матеріалах.
Доведення номіналів пасивних елементів мікросхем і методи отримання на них активних елементів за допомогою лазерного променя отримали подальший розвиток і застосовуються у виробничих умовах. Причому лазерна обробка матеріалів дозволяє підвищити ефективність і конкурентоздатність в порівнянні з іншими видами обробки. У руках хірурга лазерний промінь перетворився в скальпель, що володіє рядом дивних властивостей. Лазери широко використовуються в сучасних контрольно- вимірювальних пристроях, обчислювальних комплексах, системах локації і зв'язку. Лазери дозволяють швидко і надійно контролювати загрязненность атмосфери і поверхні моря, виявляти найбільш навантажені дільниці деталей різних механізмів, визначати внутрішні дефекти в них. Лазерний промінь стає надійним помічником будівників, картографів, археологів, криміналістів.
Безперервно розширяється область застосування лазерів в наукових дослідженнях - фізичних, хімічних, біологічних.
Чудові властивості лазерів - виключно висока когерентність і спрямованість випромінювання, можливість генерування когерентних хвиль великої інтенсивності у видимій, інфрачервоній і ультрафіолетовій областях спектра, отримання високої густини енергії як в безперервному, так і в
імпульсному режимі - вже на зорі квантової електроніки вказувало на можливість широкого їх застосування для практичних цілей. З початку свого виникнення лазерна техніка розвивається виключно високими темпами.
З'являються нові типи лазерів і одночасно удосконаляться старі: створюються лазерні установки з необхідним для різних конкретних цілей комплексом характеристика також різного роду прилади управління променем, все більш і більш удосконалюється вимірювальна техніка. Це послужило причиною глибокого проникнення лазерів у багато які галузі народного господарства, і зокрема в машинобудуванні і приладобудуванні.
Значна імпульсна потужність і енергія лікування сучасних твердотільних і газових лазерів дозволили впритул підійти до розв'язання проблем лазерної енергетики - розробці лазерної зброї для систем протиракетної оборони, керованого термоядерного синтезу, розділення
ізотопів і променевої передачі енергії, в тому числі на космічні об'єкти. Треба особливо відмітити, що освоєння лазерних методів або, інакше говорячи, лазерних технологій значно підвищує ефективність сучасного виробництва. Лазерні технології дозволяють здійснювати найбільш повну автоматизацію виробничих процесів. Одночасно при цьому економиться сировина і робочий час, підвищується якість продукції. Наприклад, практично миттєва пробивка отворів лазерним випромінюванням у багато разів збільшує продуктивність роботи сверловщика і до того ж істотно підвищує якість цієї роботи. Лазерне виготовлення мікросхем відрізняється високою продуктивністю і високою якістю. У обох прикладах виробничі операції легко піддаються автоматизації; управління лазерним променем може взяти на себе спеціальний обчислювальний пристрій. Можна упевнено затверджувати, що впровадження і вдосконалення лазерних технологій приведе до якісної зміни всього вигляду сучасного виробництва.
Величезні і вражаючі досягнення лазерної техніки сьогоднішнього дня.
Завтрашній день обіцяє ще більш грандіозну свершения. З лазерами пов'язані багато які надії: від створення об'ємного кіно до розв'язання таких глобальних проблем, як встановлення наддалекого наземного і підводного оптичного зв'язку, розгадку таємниць фотосинтезу, здійснення керованої термоядерної реакції, появу систем з великим об'ємом пам'яті і швидкодіючими пристроями введення-виведення.
1. Історія створення лазера Слово "лазер" складено з початкових букв в англійському словосполученні Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, що в перекладі на російську мову означає: посилення світла за допомогою вимушеного випущення. Таким чином, в самому терміні лазер відображена та фундаментальна роль процесів вимушеного випущення, яку вони грають в генераторах і підсилювачах когерентного світла. Тому історію створення лазера потрібно починати з 1917 р, коли Альберт Ейнштейн уперше ввів уявлення про вимушене випущення. Це був перший крок на шляху до лазера.
Наступний крок зробив радянський фізик В. А. Фабрікант, що вказав в 1939 р. на можливість використання вимушеного випущення для посилення електромагнітного випромінювання при його проходженні через речовину.
Ідея, висловлена В. А. Фабрікантом, передбачала використання микросистем з інверсною заселенностью рівнів.
У 1955 р. Н. Г. Басов і А. М. Прохоров обгрунтували застосування методу оптичної накачка для створення інверсної заселенности рівнів. У 1957 р. Н. Г. Басов висунув ідею використання напівпровідників для створення квантових генераторів; при цьому він запропонував використати як резонатор спеціально оброблені поверхні самого зразка. У тому ж 1957 р. В. А. Фабрікант і ФА. Бутаєва спостерігали ефект оптичного квантового посилення в дослідах з електричним розрядом в суміші пар ртуті і невеликих кількостей водня і гелію. У 1958 р. А. М. Прохоров і незалежно від нього американські фізики А. Шавлов і Ч. Таунс теоретично обгрунтували можливість застосування явища вимушеного випущення в оптичному діапазоні; вони (а також американець Д. Дікке) висунули ідею застосування в оптичному діапазоні не об'ємних (як в СВЧ діапазоні), а відкритих резонаторів. Помітимо, що конструктивно відкритий резонатор відрізняється від об'ємного тим, що прибрані бічні провідні стінки (збережені торцовие відбивачі, фіксуючі в просторі вісь резонатора) і лінійні розміри резонатора вибрані великими в порівнянні з довжиною хвилі випромінювання. У 1959 р. вийшла в світло робота Н. Г. Басова, Б. М. Вула, Ю. М. Попова з теоретичним обгрунтуванням ідеї напівпровідникових квантових генераторів і аналізом умов їх створення. Нарешті, в 1960 р. з'явилася грунтовна стаття Н. Г. Басова, ОН. Крохина, Ю. М. Попова, в якій були всебічно розглянуті принципи створення і теорія квантових генераторів і підсилювачів в
інфрачервоному і видимому діапазонах. У кінці статті автори писали
"Відсутність принципових обмежень дозволяє сподіватися нате, що найближчим часом будуть створені генератори і підсилювачі в
інфрачервоному і оптичному діапазоні хвиль".
2. Види лазерів
Газові лазери
Робоче тіло
Довжина хвилі
Джерело накачка
Застосування
Гелій-неоновий лазер
632,8 нм (543,5; 593,9; 611,8 нм, 1,1523; 1,52; 3,3913 мкм)
Електричний розряд
Інтерферометрія, голографія, спектроскопія, лічення штриха-кодів, демонстрація оптичних ефектів.
Аргоновий лазер
488,0; 514,5 нм, (351; 465,8; 472,7; 528,7 нм)
Електричний розряд
Лікування сітчатки ока, літографія, накачка інших лазерів.
Кріптоновийлазер
416; 530,9; 568,2; 647,1; 676,4; 752,5; 799,3 нм
Електричний розряд
Наукові дослідження, в суміші з аргоном лазери білого світла, лазерне шоу.
Ксеноновийлазер
Безліч спектральних ліній по всьому видимомуспектру і частково в УХ і ІКобластях.
Електричний розряд
Наукові дослідження.
Азотний лазер
337,1 нм (316; 357 нм)
Електричний розряд Накачка лазерів на барвниках, дослідження забруднення атмосфери, наукові дослідження, учбові лазери. Лазер на фтористом водні
2,7-2,9 мкм (Фтористий водень) 3,6-4,2 мкм (фторид дейтерія)
Хімічна реакція горіння етилена і трехфтористого азоту (NF 3 ), що
ініціюється електричним розрядом (імпульсний режим)
Здатний працювати в постійному режимі в області мегаваттних потужностей і в імпульсному режимі в області тераваттних потужностей. Один з самих могутніх лазерів. Лазерні озброєння. Лазерний термоядерний синтез (ЛТС).
Хімічний лазер на кисні і йоді (COIL)
1,315 мкм
Хімічна реакція в пламенисинглетного кисня і йоду
Здатний працювати в постійному режимі в області мегаваттних потужностей. Також створений і імпульсний варіант. Наукові дослідження, лазерні озброєння. Обробка матеріалів. Лазерний термоядерний синтез (ЛТС). У перспективі: джерело накачка неодимових лазерів і рентгенівських лазерних систем.
Углекислотний лазер (CO 2 )
10,6 мкм, (9,6 мкм)
Поперечний (великі потужності) або подовжній (малі потужності) електричний розряд, хімічна реакція (DF-CO 2 лазер)
Обробка матеріалів (різання, зварювання), хірургія. Лазер на монооксиде вуглеводу (CO)
2,5-4,2 мкм, 4,8-8,3 мкм
Електричний розряд; хімічна реакція
Обробка матеріалів (гравіювання, зварювання і т. д, фотоакустична спектроскопія.
Ексимерний лазер
193 нм (ArF), 248 нм (KrF), 308 нм (XeCl), 353 нм (XeF)
Рекомбінація ексимерних молекул при електричному розряді
Ультрафіолетова літографія в напівпровідниковій промисловості, лазерна хірургія, корекція зору.
Лазери на барвниках
Робоче тіло
Довжина хвилі
Джерело накачка
Застосування Лазер на барвниках
390-435 нм (Стільбен), 460-515 нм (Кумарін 102), 570-640 нм (Родамін
6G), інші
Інший лазер, імпульсна лампа.
Наукові дослідження, спектроскопія, косметична хірургія, розділення
ізотопів. Робочий діапазон визначається типом барвника.
Лазери на парах металів
Робоче тіло
Довжина хвилі
Джерело накачка
Застосування
Гелій-кадмієвий лазер на парах металів
440 нм, 325 нм
Електричний розряд в суміші пар металу і гелію.
Поліграфія, УХ детектори валюти, наукові дослідження.
Гелій-ртутний лазер на парах металів
567 нм, 615 нм
Електричний розряд в суміші пар металу і гелію.
Археологія, наукові дослідження, учбові лазери.
Гелий-селеновий лазер на парах металів до 24 спектральних смуг від червоного до УХ
Електричний розряд в суміші пар металу і гелію.
Археологія, наукові дослідження, учбові лазери. Лазер на парах міді
510,6 нм, 578,2 нм
Електричний розряд
Дерматологія, швидкісна фотографія, накачка лазерів на барвниках. Лазер на парах золота
627 нм
Електричний розряд
Археологія, медицина.
Твердотільні лазери
Робоче тіло
Довжина хвилі
Джерело накачка
Застосування
Рубіновий лазер
694,3 нм
Імпульсна лампа
Голографія, видалення татуїровок. Перший представлений тип лазера
(1960).
Алюмо-иттриевие лазери з легуванням неодимом (Nd:)(YAG)
1,064 мкм, (1,32 мкм)
Імпульсна лампа, лазерний діод
Обробка матеріалів, лазерні далекоміри, лазерні целеуказатели, хірургія, наукові дослідження, накачка інших лазерів. Один з самих поширених лазерів високої потужності. Звичайно працює в імпульсному режимі (частки наносекунд. Нерідко використовується в поєднанні з удвоителем частоти. Відомі конструкції з квазинепреривним режимом випромінювання. Лазер на фториді иттрия-літію з легированиемнеодимом (Nd:)(YLF)
1,047 і 1,053 мкм
Імпульсна лампа, лазерний діод
Найчастіше використовуються для накачка титан-сапфирових лазерів, використовуючи ефект подвоєння частоти в нелінійній оптиці. Лазер на ванадате иттрия (YVO 4 ) з легированиемнеодимом
(Nd:)(YVO)
1,064 мкм
Лазерні діоди
Найчастіше використовуються для накачка титан-сапфирових лазерів, використовуючи ефект подвоєння частоти в нелінійній оптиці. Лазер на неодимовом склі (Nd:)(Glass)
1,062 мкм (Силікатне скло), 1,054 мкм (Фосфатне скло)
Імпульсна лампа, Лазерні діоди
Лазери надвисокої потужності (тераватти) і енергії (мегаджоули).
Звичайно працюють в нелінійному режимі потроєння частоти до 351 нм в пристроях лазерної плавки. Лазерний термоядерний синтез (ЛТС). Накачка рентгенівських лазерів.
Титан-сапфировий лазер
650-1100 нм
Інший лазер
Спектроскопія, лазерні далекоміри, наукові дослідження.
Алюмо-иттриевие лазери з легуванням тулием (Tm:)(YAG)
2,0 мкм
Лазерні діоди
Лазерні радари
Алюмо-іттрієвие лазери з легуванням иттербием (Yb:)(YAG)
1,03 мкм
Імпульсна лампа, Лазерні діоди
Обробка матеріалів, дослідження сверхкоротких
імпульсів, мультифотонная мікроскопія, лазерні далекоміри.
Алюмо-иттриевие лазери з легуванням гольмием (Ho:)(YAG)
2,1 мкм
Лазерні діоди Медицина
Церій-легований літій-стронцій (або кальцій)-алюмо-фторидний лазер
(Ce:)(LiSAF, Ce:)(LiCAF)
280-316 нм Лазер Nd:YAG з почетверінням частоти, Ексимерний лазер, лазер на парах ртуті.
Дослідження атмосфери, лазерні далекоміри, наукові розробки. Лазер на александрит з легуванням хромом
Настроюється в діапазоні від 700 до 820 нм
Імпульсна лампа, Лазерні діоди. Для безперервного режиму - дугова ртутна лампа
Дерматологія, лазерні далекоміри.
Волоконний лазер лазер з легуванням ербием
1,53-1,56 мкм
Лазерні діоди
Оптичні підсилювачі у волоконно-оптичних лініях зв'язку, обробка металів (різання, зварювання, гравіювання), термораскаливание стікти, медицина, косметология.
Лазери на фториді кальцію, легованому ураном (U:)(CaF 2 )
2,5 мкм
Імпульсна лампа
Перший х уровневий твердотільний лазер, другий працюючий тип лазера (після рубінового лазера Маймана), охлаждаться рідким гелієм, сьогодні ніде не використовується.
Напівпровідникові лазери
Робоче тіло
Довжина хвилі
Джерело накачка
Застосування
Полупроводниковийлазерний діод
Довжина хвилі залежить від матеріалу і структури активної області: ближній УХ, фіолетовий, синій - напівпровідникові нитриди Ga, Al; червоний, ближній ИК-діапазон - з'єднання на основі Al, Ga, As; ближній і середній ИК-діапазон - з'єднання, вмісні In, Р, Sb; середній ИК - дальній ИК- діапазон - солі свинця; середній ИК - терагерцовий діапазон - напівпровідникові квантово-каскадні лазери
Електричний струм, оптична накачка
Телекомунікації, голографія, лазерні целеуказатели, лазерні принтери, накачка лазерів інших типів. AlGaAs-лазери (алюминий-арсенид-галлиевие), працюючі в діапазоні 780 нм використовуються в програвачах компакт- дискови є самими поширеними в світі.
Інші типи лазерів
Робоче тіло
Довжина хвилі
Джерело накачка
Застосування Лазер на вільних електронах
Довжина хвилі рентгенівського лазера варіюється в діапазоні 0,085-6 нм. Пучок релятивістських електронів
Дослідження атмосфери, матеріалознавство, медицина, протиракетна оборона.
Псевдо-никельово-самарієвийлазер
Рентгенівське випромінювання 17,3 нм
Випромінювання в сверхгорячей плазмесамария, що створюється двійчастими імпульсами лазера на неодимовомстекле. Перший демонстраційний лазер, працюючий в області жорсткого рентгенівського випромінювання. Може застосовуватися в мікроскопах надвисокого дозволу і голографії. Його випромінювання лежить у "вікні прозорості" води і дозволяє дослідити структуру ДНК, активність вірусів в клітках, дію ліків. Лазер на центрах забарвлення
Довжина хвилі 0,8 - 4 мікрон.
Оптична (лампа спалах, лазерний) електронів
Спектроскопія, медицина.
2. Застосування лазерів в машинобудуванні Коли в кінці XIX - початку XX віку фантасти заговорили про винахід майбутнього так званих "світлових променях", передвісників сучасного лазера, вони навіть не передбачали, як значущим і поширеним стане застосування цього фізичного феномена в житті людини. Герберт Уеллс в романові "Війна світів" і А. К. Толстой в "Гіперболоїді інженера Гаріна" знайшли лише два способи застосування "теплових променів": у військових цілях і при проведенні геологічних досліджень. Реальність виявилася істотно багатше і різносторонньої самих сміливих фантазій письменників віку, що пішов. Сьогодні, видимо, вже немає жодній сфери людської діяльності, де б ні застосовувалися пристрої на основі лазерних технологій. Особливо велике поширення і широкі перспективи лазери знаходять в самих різних галузях машинобудування.
Когерентний промінь замість пилки. Одним з основних процесів отримання заготівель в машинобудуванні є різання металу. Для цього широке застосування знаходять самі різноманітні
її методи. Традиційно використовуються механічні способи - різання ножовочними полотнами, стрічковими пилками, фрезами. Для цього у виробництві також використовуються станки загального і спеціального
призначення для раскроя листових, профільних і інших заготівель з різних металів і сплавів. При дешевизні традиційних способів у них немало родових проблем, які не можуть бути вирішені технологічно. Серед нестач старих способів різання - невисока продуктивність, мала стійкість ріжучого
інструмента, а також проблематичність, а часом і повна неможливість разнофигурной різання по круглих і кривих контурах. У пошуках розв'язання цих проблем в машинобудування прийшли
інакші способи розділення матеріалів, засновані на електрохімічному, електрофизическом і фізико-механічному впливах.
Серед них високошвидкісне газове і плазмове різання, плазмове різання проникаючою дугою. Однак ці способи при високій продуктивності відрізняються низькою точністю, а також великими витратами в сфері термічного впливу наметал, вимагають додаткових способів очищення і т. п. З іншого боку, застосовується неймовірно точна, що дозволяє виготовляти деталі будь-якої геометрії електроерозионная різання. Але ця методика відрізняється надто низькою продуктивністю, високою технологічною складністю.
Лазерне різання позбавлене багатьох вищеперелічених проблем.
Лазерне випромінювання, забезпечуючи високу концентрацію енергії, дозволяє розділяти практично будь-які метали і сплави незалежно від їх теплофизических властивостей. При цьому можна отримувати вузькі розрізи з мінімальною зоною термічного впливу. При лазерному різанні не потрібно механічний вплив наметал, що обробляється, а виникаючі деформації, як тимчасове в процесі різання, так і залишкові після повного охолодження, незначне. Це дозволяє здійснювати лазерне різання з високою мірою точності.
Завдяки великій густині потужності лазерного випромінювання забезпечується висока продуктивність, що поєднується з високою якістю поверхні реза.
Основна перевага лазерного різання - її автоматизація і комп'ютеризація, можливість перейти з одного типу деталей будь-якої геометричної складності на інший тип без відчутних витрат часу. Щоб почати випуск нової продукції, не потрібне виготовлення серії спеціальних
інструментів для наладки лінії, що значно знижує витрати на вкладення і власне собівартість продукції, що випускається.
Освоєння випуску нового типу деталі не займає більше часу, ніж складання самого креслення і введення йогов комп'ютер, керуючий лазером.
Якість продукції, що виготовляється дозволяє здійснювати зварювання встик без зміщень кромок зрізу і попередньої обробки сторін, що з'єднуються.
Лазерне різання на відміну від круглого універсального інструмента дозволяє виконувати гострі кути, переходи без радіусів, тонкі перемички (товщиною менше за 1-2 мм, отвори будь-якого діаметра. У роботизированних системах промінь лазера дозволяє проводити об'ємне різання із застосуванням
високотехнічний оптоволоконних систем. Використання лазера особливо вигідне в тих випадках, коли потрібно виготовлення складних деталей малими серіями і великої номенклатури. А в сучасному машинобудуванні такі, що ще учора вважалися унікальними замовлення стають все більш поширеними. Тому лазери застосовуються для виготовлення і випробування дослідних зразків техніки: корпусів автомобілів, зброї, беспилотних літальних апаратів, деталей космічних апаратів і багато чого іншого.
Сьогодні найбільш дорогим виглядом інструмента є штампи і прес- форми, тому використання технології лазерного раскроя замість традиційної вирубки-висечки має очевидні переваги. Лазерні раскройние комплекси дозволяють проводити раскрой тонколистових матеріалів з швидкістю 120 м/міна при точності 0,01 мм. Лазер широко використовують для прошивки отворів. Застосування лазера для свердлування виявляється ефективним в порівнянні з іншими способами в деяких випадках: свердлування під кутом, при співвідношенні глибини отвору до діаметра більше одиниці (глибокий отвір), свердлування в жароміцних і твердих металах. Навіть застосування електроерозионних прошивочних станків не дозволяє повністю уникнути деформації і поломок
інструмента (дротяного електрода) через відведення осі отвору при глибокому свердлуванні. Для різання металів в Росії і за рубежем застосовуються технологічні установки на основі твердотільних і газових СО2-лазерів, працюючих як в безперервному, так і в імпульсно-періодичному режимах випромінювання.
Потрібно відмітити, що в зіставленні з іншими, вживаними на виробництві станками вартість лазерного обладнання для різання досить висока. Але завдяки високій продуктивності, точності деталей, що виготовляються, легкість перенастройки параметрів різка під ту або інакшу задачу, а також можливості використання в тих областях, де традиційні підходи викликають певні труднощі, лазерне різання є одним з самих перспективних і конкурентоздатних технологічних процесів. Без зварника і електрода.
Ще одні важливим напрямом застосування лазерів в машинобудуванні є лазерне зварювання. Цей спосіб відкрив нові перспективи в з'єднанні металу. Тепер вже немає таких витрат виробництва, як при класичному дуговому зварюванні. У минулому майже все залежало від майстерності зварника і його практичних навиків, сьогодні ці процеси автоматизовані. При лазерному зварюванні відсутні товсті шви, що з'являються в старих видах зварювання.
Лазерне зварювання проводять як на повітрі, так і в середовищі захисних газів: аргону, СО. Вакуум, як при електронно-променевому
зварюванні, тут не потрібен, тому лазерним променем можна зварювати великогабаритні конструкції. Лазерний промінь легко справляється і регулюється, за допомогою дзеркальних оптичних систем легко транспортується і прямує у важкодоступні для інших способів місця. На відміну від електронного променя і електричної дуги на нього не впливають магнітні поля, що забезпечує стабільне формування шва. Через високу концентрацію енергії (в плямі діаметром 0,1 мм і менш) в процесі лазерного зварювання об'єм зварювальної ванни невеликої, мала ширина зони термічного впливу, високі швидкості нагріву і охолоджування. Це забезпечує високу технологічну міцність зварних з'єднань, невеликі деформації зварних конструкцій. Лазерне зварювання вилки з карданним валом автомобіля в порівнянні з дуговим зварюванням збільшує термін служби карданної передачі в три рази, тому що більш ніж вдвоє меншає площа перетину зварного шва, в декілька разів - час зварювання. Деформації вилки, зухвалі передчасний знос, практично відсутні.
Швидкість лазерного зварювання безперервним випромінюванням в декілька разів перевищує швидкості традиційних способів зварювання плавленням. Наприклад, стальний лист завтовшки 20 мм електричною дугою зварюють з швидкістю 15 м/ч за 5-8 проходів, ширина шва виходить 20 мм.
Безперервним лазерним променем цей лист зварюється з швидкістю 100 м/ч за один прохід, отримують ширину шва 5 мм. У зварювальних системах застосовуються як постійні, так і імпульсні лазери. Постійні лазери зварюють набагато швидше традиційних методів. Лазерне зварювання імпульсним випромінюванням по швидкості порівнянна з традиційними способами зварювання, але має і важливі переваги. При використанні імпульсних лазерів практично відсутні явища перегріву як самої зварювальної системи, так і, що особливо важливо, поверхні, що зварюється.
Лазерне зварювання проводиться як з крізним, так і з частковим проплавлением. Зварні шви однаково добре формуються в будь-якому просторовому положенні. При товщині кромок, що зварюються менше за 0,1 мм і при зварюванні великої товщини з глибоким проплавлением по-різному відбувається формування шва і різні підходи до вибору параметрів режиму зварювання. При зварюванні як безперервним, так і імпульсним випромінюванням малої товщини використовують більш м'які режими, що забезпечують лише розплавлення металу в стику деталей без перегріву його до температури інтенсивного випаровування. Зварювання сталей і інших відносно малоактивних металів можна в цьому випадку виконувати без додаткового захисту зони нагріву, що істотно спрощує технологію, тоді як зварювання з глибоким проплавлением ведуть із захистом шва газом, склад якого підбирають в залежності від матеріалу, що зварюється.
Найбільш поширене лазерне зварювання
імпульсним випромінюванням в електронній і електротехнічній промисловості, де
зварюють кутові, нахлесточние і стиковие з'єднання тонкостенних деталей. Хороша якість з'єднань забезпечується зварюванням лазерним променем тонких деталей (0,05 - 0,5 мм) з масивними. У цьому випадку, якщо деталі, що зварюються значно відрізняються по товщині, в процесі зварювання промінь зміщають на масивну деталь, чим вирівнюють температурне поле і досягають рівномірного проплавления обох деталей. При лазерному зварюванні нагрів і плавлення металу відбуваються так швидко, що деформація тонкої кромки може не встигти статися до того, як метал затвердіє.
Застосування лазерного зварювання у вітчизняній промисловості отримало широке, але і ще не цілком достатнє для сучасного рівня машинобудування поширення. Причиною цього є як висока вартість технологічних лазерів і особливо зварювальних роботів, так і недостатній досвід застосування цих технологій. Однак, якщо застосування традиційних способів не дає бажаних результатів або технічно нездійсненне, без лазерного зварювання обійтися неможливо. До таких випадків відноситься необхідність отримання прецизионной (високоточної) конструкції, форма і розміри якої не повинні мінятися внаслідок зварювання. Лазерне зварювання доцільне, коли вона дозволяє значно спростити технологію виготовлення зварних виробів, виконуючи зварювання як заключну операцію без подальшого виправлення або механічної обробки. Економічно ефективне лазерне зварювання, коли необхідно істотно підвищити продуктивність, оскільки швидкість її може бути в декілька разів більше, ніж у традиційних способів.
Однак виявилося, що і у класичного лазерного зварювання є недоліки.
Насамперед цепов язано з низькою ефективністю нагріву металів лазерним випромінюванням, зумовленою їх високою відбивною здатністю на частотах випромінювання, характерних для більшості технологічних лазерів.
Іншим чинником, що знижує ефективність використання могутніх лазерів, є та, що з'являється в момент впливу лазером поверхнева плазма.
Плазмова пара істотно зменшує частку лазерної енергії, що подається на робочу поверхню. Внаслідок чого лазер залишається недостатньо ефективним і інструментом, що вельми дорого коштує для реалізації більшості технологій обробки матеріалів. Також існує і ряд технічних проблем, перешкоджаючих впровадженню лазерного зварювання, такі як високі вимоги до зазора між площинами, що зварюються і висока твердість шва.
Дослідження зарубіжних і вітчизняних вчених допомогли вирішити значну частину цих проблем використанням гібридних способів зварювання, наприклад "лазер+дуга", "лазер+плазма". Однак, з іншого боку, при цих
способах втрачаються головні особливості, такі як кинжальность проплавления і мала зона термічного впливу.
Крім гібридних процесів лазерного зварювання, де лазерний промінь об'єднується з абсолютно інакшими технологіями, такими як дуга і плазма, великі можливості дала технологія використання другого лазерного променя. З економічної точки зору, використання двох лазерів потужністю до 10 кВт більш вигідне, ніж одного як по капітальних вкладеннях, так і по експлуатаційній вартості використання лазера в годину. Двухлучевая СО2-лазерне зварювання дозволило збільшити глибину проплавления, зберігаючи класичну формулу 1 кВт на 1 мм проплавления.
Технологія двухлучевой лазерного зварювання зменшує вимоги до зборки зразків, також виявилося, що при двухлучевой лазерному зварюванні з присадочной дротом твердість зварного шва порівнянна з основним металом, що було недосяжно при однолучевой зварюванні.
Малярські роботи без грона і валика.
Ще одним напрямом застосування промислових лазерів є обробка поверхонь. Висока густина потужності лазерного випромінювання дозволяє набувати якісно нових властивостей поверхонь, недоступних традиційним методам обробки матеріалів. Лазерна обробка поверхонь металів і сплавів відноситься до локальних методів термічної обробки за допомогою висококонцентрированних джерел нагріву. У зв'язку з цим лазерний промінь як джерело нагріву при термічній обробці матеріалів має риси, властиві всім
іншим висококонцентрированним джерелам. Лазерне випромінювання дозволяє проводити обробку тільки поверхневої дільниці матеріалу без нагріву іншого об'єму і порушення його структури і властивостей, що приводить до мінімального викривлення деталей. У результаті очевидні економічні і технологічні переваги. Лазерна обробка дозволяє оперувати в широкому інтервалі режимів. Це дозволяє досягати необхідних фізичних властивостей поверхні, таких як твердість, зносостійкість, шорсткість, а також геометричні розміри оброблених дільниць. Відсутність механічних зусиль на матеріал, що обробляється дає можливість обробляти малопрочние і тонкостенние виробу.
Методи лазерної термообробки аналогічні звичайним методам термічної обробки сплавів. Для здійснення лазерного гартування
(термоупрочнения) локальну дільницю поверхні масивної деталі нагрівають за допомогою випромінювання до сверхкритических температура після припинення дії випромінювання ця дільниця охлаждаться за рахунок відведення теплоти у внутрішні шари металу. Висока швидкість охолоджування приводить до утворення гартівних структур в сплавах і до високої твердості поверхні.
У тому випадку, коли товщина деталі, що обробляється сумірна з розмірами зони лазерного впливу і умови прискореного теплоотвода не забезпечуються, має місце лазерний відпал. Така технологічна операція знайшла широке застосування в мікроелектроніці для відпалу напівпровідникових матеріалів, особливо імплантованих на металеві підкладки. Лазерний відпал, що полягає в нагріві лазером загартованих деталей до температур нижче критичних, може бути використаний для обробки дрібних деталей в приладобудуванні, наприклад, пружинних елементів і інш.
Лазери також застосовуються для фарбування різних поверхонь. Для цього наметал наносяться спеціальні види хімічних барвників, що згодом закріплюються лазерним випромінюванням. При цьому міцність поверхні, що забарвлюється набагато вище традиційного фарбування.
Термообробка поверхні.
Ще одним напрямом в лазерній обробці матеріалів є оплавлення поверхні. Ця технологічна операція почала розвиватися з появою лазерного випромінювання і іншими методами практично не виконується. При оплавленні для поліпшення якості поверхні (зменшення пористості або шорсткості) режими обробки підбирають виходячи з вимог отримання найкращої микрогеометрії поверхні, швидкість охолоджування в цьому випадку, як правило, не регламентується. Методи отримання поверхневих покриттів - легування і наплавка - відрізняються тим, що дільниця поверхні нагрівається вище за температуру плавлення, в зону оплавления вводять легуючі компоненти, і в результаті утвориться поверхневий шар з хімічним складом, відмінним від основного металу. Вакуумно-лазерне напиление полягає у випаровуванні матеріалу дільниці поверхні під впливом лазерного випромінювання у вакуумі і конденсуванні продуктів, що випарувалися на підкладці. лазер машинобудування графіка ексимерний
Ініціювання поверхневих хімічних реакцій на поверхні сплавів за допомогою теплового впливу лазерного випромінювання або з використанням плазмової хмари поблизу поверхні переслідує мета окислення або відновлення окремих компонентів сплаву або отримання спеціальних з'єднань.
Основна мета лазерного гартування - підвищення зносостійкості деталей, працюючих в умовах тертя. Зменшення зносу деталей після лазерного гартування зумовлене рядом чинників: високою твердістю поверхні, високою дисперсністю структури; збільшенням несучих властивостей поверхні; зменшенням коефіцієнта тертя і інш.
Застосування лазера в гравіюванні.
Технологія лазерного гравіювання заснована на впливі випромінювання безпосередньо на поверхню матеріалу. Завдяки високій точності лазерного гравіювання (товщина лінії 25 мікрон) можна наносити досить складні зображення. Установки для лазерного гравіювання справляються із звичайного комп'ютера з можливістю імпорту зображень з стандартних редакторів векторної графіки або растрової графіки.
Нанесені лазером зображення не наражаються на небезпеку бути змитими або затертими, тому як зроблені з самого матеріалу виробу. Сучасні станки лазерного гравіювання мають функції порядкового гравіювання, завдяки чому можливе нанесення складних малюнків, фотографій з урахуванням півтонів і залиття.
Лазерна графіка може наноситися не тільки наметал, але і на багато які інші матеріали: камінь, гуму, пластик, органічне скло, тканину, шкіру, шовк, кераміку, акрил, бамбук, дерево, МДФ, ДСП, фанеру, шпону, граніт і
інші.
Деякі види такої техніки мають поворотні осі, що дозволяє гравіювати пляшки, скляні вироби, ялинкові іграшки, всілякі круглі і овальні, сферичні вироби. Лазерне гравіювання - одне з самих поширених методів нанесення зображень. Мінімальний вплив на поверхню матеріалу, безконтактна обробка дозволяє не ушкоджувати кінцевий виріб. Після обробки якість матеріалу залишається тією ж.
Висновок
Лазери рішуче і притому широким фронтом вторгаються в нашу дійсність. Вони надзвичайно розширили наші можливості в самих різних областях- обробці матеріалів, медицині, вимірюваннях, контролі, обробці і передачі інформації, фізичних, хімічних і біологічних дослідженнях. Вже сьогодні лазерний промінь оволодів безліччю корисних і цікавих професій. У багатьох випадках застосування лазерного променя дозволяє отримувати унікальні результати. Можна не сумніватися, що в майбутньому промінь лазера подарує нам нові можливості, що представляються сьогодні фантастичними. Ми вже почали звикати до думки, що "лазер все може". Часом це заважає тверезо оцінити реальні можливості лазерної техніки на сучасному етапі її розвитку. Недивно, що надмірні захоплення з приводу можливостей лазерного променя іноді зміняються деяким охолоджуванням до лазерів. Все це, однак, ніяк не може замаскувати основний факт - з винаходом лазера людина отримала в своє розпорядження якісно новий, у високій мірі універсальний, дуже ефективний "інструмент" для повсякденної виробничої і наукової діяльності. З роками цей "інструмент" буде все більш удосконалитися, а разом з цим буде безперервно розширятися і область застосування лазерів.
Наростаючі темпи досліджень в області лазерної техніки відкривають можливості створення нових типів лазерів зі значно поліпшеними характеристиками, що дозволяють розширити області їх застосування в машино- і приладобудуванні. У цей час ми є свідками потужності випромінювання, що безперервно збільшується як твердотільних, так і газових лазерів, працюючих в постійному режимі, що розширює можливості
їх застосування при різних технологічних операціях: зварюванню деталей значно більших габаритів, різанню більш товстих листів з великими швидкостями, свердлуванню із збільшеними швидкостями отворів значних діаметрів і т. д. Відкриваються нові можливості в області зміцнення деталей машин і приладів, а також ріжучих інструментів. Подальші успіхи в цьому напрямі поки обмежуються виходом з ладу окремих оптичних елементів лазера дзеркал, вихідних вікон і інш. - через їх недостатньо високу променеву міцність. У області підвищення променевої міцності виробляються обширні дослідження. Одночасно відкриваються нові можливості застосування лазерів в технологічних операціях. Підвищення стабільності роботи лазерів дозволяє підняти на новий рівень виконання "тонких" операцій доведення, розмірної обробки локального характеру. Для цієї мети, мабуть, найбільш перспективні лазери, працюючі в імпульсному режимі, тривалість імпульсів випромінювання яких не перевершує декількох десятків наносекунд.
скачати
Винахід лазера стоїть водному ряду з найбільш видатними досягненнями науки і техніки XX віку. Перший лазер з'явився в 1960 р, і відразу ж почався бурхливий розвиток лазерної техніки. У короткий час були створені різноманітні типи лазерів і лазерних пристроїв, призначених для рішення конкретних наукових і технічних задач. Лазери вже встигли завоювати міцні позиції в багатьох галузях народного господарства. Лазер - це генератор когерентного світла. На відміну від інших джерел світла (наприклад, ламп розжарювання або ламп денного світла) лазер дає оптичне випромінювання, що характеризується високою мірою впорядкованості світлового поля або, як говорять, високою мірою когерентності.
Таке випромінювання відрізняється високої монохроматичностью і спрямованістю. У наші дні лазери успішно трудяться на сучасному виробництві, справляючись з самими різноманітними задачами.
Лазерним променем розкроюють тканини і ріжуть стальні листи, зварюють кузови автомобілів і приварюють найдрібніші деталі в радіоелектронній апаратурі, пробивають отворив крихких і сверхтвердих матеріалах.
Доведення номіналів пасивних елементів мікросхем і методи отримання на них активних елементів за допомогою лазерного променя отримали подальший розвиток і застосовуються у виробничих умовах. Причому лазерна обробка матеріалів дозволяє підвищити ефективність і конкурентоздатність в порівнянні з іншими видами обробки. У руках хірурга лазерний промінь перетворився в скальпель, що володіє рядом дивних властивостей. Лазери широко використовуються в сучасних контрольно- вимірювальних пристроях, обчислювальних комплексах, системах локації і зв'язку. Лазери дозволяють швидко і надійно контролювати загрязненность атмосфери і поверхні моря, виявляти найбільш навантажені дільниці деталей різних механізмів, визначати внутрішні дефекти в них. Лазерний промінь стає надійним помічником будівників, картографів, археологів, криміналістів.
Безперервно розширяється область застосування лазерів в наукових дослідженнях - фізичних, хімічних, біологічних.
Чудові властивості лазерів - виключно висока когерентність і спрямованість випромінювання, можливість генерування когерентних хвиль великої інтенсивності у видимій, інфрачервоній і ультрафіолетовій областях спектра, отримання високої густини енергії як в безперервному, так і в
імпульсному режимі - вже на зорі квантової електроніки вказувало на можливість широкого їх застосування для практичних цілей. З початку свого виникнення лазерна техніка розвивається виключно високими темпами.
З'являються нові типи лазерів і одночасно удосконаляться старі: створюються лазерні установки з необхідним для різних конкретних цілей комплексом характеристика також різного роду прилади управління променем, все більш і більш удосконалюється вимірювальна техніка. Це послужило причиною глибокого проникнення лазерів у багато які галузі народного господарства, і зокрема в машинобудуванні і приладобудуванні.
Значна імпульсна потужність і енергія лікування сучасних твердотільних і газових лазерів дозволили впритул підійти до розв'язання проблем лазерної енергетики - розробці лазерної зброї для систем протиракетної оборони, керованого термоядерного синтезу, розділення
ізотопів і променевої передачі енергії, в тому числі на космічні об'єкти. Треба особливо відмітити, що освоєння лазерних методів або, інакше говорячи, лазерних технологій значно підвищує ефективність сучасного виробництва. Лазерні технології дозволяють здійснювати найбільш повну автоматизацію виробничих процесів. Одночасно при цьому економиться сировина і робочий час, підвищується якість продукції. Наприклад, практично миттєва пробивка отворів лазерним випромінюванням у багато разів збільшує продуктивність роботи сверловщика і до того ж істотно підвищує якість цієї роботи. Лазерне виготовлення мікросхем відрізняється високою продуктивністю і високою якістю. У обох прикладах виробничі операції легко піддаються автоматизації; управління лазерним променем може взяти на себе спеціальний обчислювальний пристрій. Можна упевнено затверджувати, що впровадження і вдосконалення лазерних технологій приведе до якісної зміни всього вигляду сучасного виробництва.
Величезні і вражаючі досягнення лазерної техніки сьогоднішнього дня.
Завтрашній день обіцяє ще більш грандіозну свершения. З лазерами пов'язані багато які надії: від створення об'ємного кіно до розв'язання таких глобальних проблем, як встановлення наддалекого наземного і підводного оптичного зв'язку, розгадку таємниць фотосинтезу, здійснення керованої термоядерної реакції, появу систем з великим об'ємом пам'яті і швидкодіючими пристроями введення-виведення.
1. Історія створення лазера Слово "лазер" складено з початкових букв в англійському словосполученні Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, що в перекладі на російську мову означає: посилення світла за допомогою вимушеного випущення. Таким чином, в самому терміні лазер відображена та фундаментальна роль процесів вимушеного випущення, яку вони грають в генераторах і підсилювачах когерентного світла. Тому історію створення лазера потрібно починати з 1917 р, коли Альберт Ейнштейн уперше ввів уявлення про вимушене випущення. Це був перший крок на шляху до лазера.
Наступний крок зробив радянський фізик В. А. Фабрікант, що вказав в 1939 р. на можливість використання вимушеного випущення для посилення електромагнітного випромінювання при його проходженні через речовину.
Ідея, висловлена В. А. Фабрікантом, передбачала використання микросистем з інверсною заселенностью рівнів.
У 1955 р. Н. Г. Басов і А. М. Прохоров обгрунтували застосування методу оптичної накачка для створення інверсної заселенности рівнів. У 1957 р. Н. Г. Басов висунув ідею використання напівпровідників для створення квантових генераторів; при цьому він запропонував використати як резонатор спеціально оброблені поверхні самого зразка. У тому ж 1957 р. В. А. Фабрікант і ФА. Бутаєва спостерігали ефект оптичного квантового посилення в дослідах з електричним розрядом в суміші пар ртуті і невеликих кількостей водня і гелію. У 1958 р. А. М. Прохоров і незалежно від нього американські фізики А. Шавлов і Ч. Таунс теоретично обгрунтували можливість застосування явища вимушеного випущення в оптичному діапазоні; вони (а також американець Д. Дікке) висунули ідею застосування в оптичному діапазоні не об'ємних (як в СВЧ діапазоні), а відкритих резонаторів. Помітимо, що конструктивно відкритий резонатор відрізняється від об'ємного тим, що прибрані бічні провідні стінки (збережені торцовие відбивачі, фіксуючі в просторі вісь резонатора) і лінійні розміри резонатора вибрані великими в порівнянні з довжиною хвилі випромінювання. У 1959 р. вийшла в світло робота Н. Г. Басова, Б. М. Вула, Ю. М. Попова з теоретичним обгрунтуванням ідеї напівпровідникових квантових генераторів і аналізом умов їх створення. Нарешті, в 1960 р. з'явилася грунтовна стаття Н. Г. Басова, ОН. Крохина, Ю. М. Попова, в якій були всебічно розглянуті принципи створення і теорія квантових генераторів і підсилювачів в
інфрачервоному і видимому діапазонах. У кінці статті автори писали
"Відсутність принципових обмежень дозволяє сподіватися нате, що найближчим часом будуть створені генератори і підсилювачі в
інфрачервоному і оптичному діапазоні хвиль".
2. Види лазерів
Газові лазери
Робоче тіло
Довжина хвилі
Джерело накачка
Застосування
Гелій-неоновий лазер
632,8 нм (543,5; 593,9; 611,8 нм, 1,1523; 1,52; 3,3913 мкм)
Електричний розряд
Інтерферометрія, голографія, спектроскопія, лічення штриха-кодів, демонстрація оптичних ефектів.
Аргоновий лазер
488,0; 514,5 нм, (351; 465,8; 472,7; 528,7 нм)
Електричний розряд
Лікування сітчатки ока, літографія, накачка інших лазерів.
Кріптоновийлазер
416; 530,9; 568,2; 647,1; 676,4; 752,5; 799,3 нм
Електричний розряд
Наукові дослідження, в суміші з аргоном лазери білого світла, лазерне шоу.
Ксеноновийлазер
Безліч спектральних ліній по всьому видимомуспектру і частково в УХ і ІКобластях.
Електричний розряд
Наукові дослідження.
Азотний лазер
337,1 нм (316; 357 нм)
Електричний розряд Накачка лазерів на барвниках, дослідження забруднення атмосфери, наукові дослідження, учбові лазери. Лазер на фтористом водні
2,7-2,9 мкм (Фтористий водень) 3,6-4,2 мкм (фторид дейтерія)
Хімічна реакція горіння етилена і трехфтористого азоту (NF 3 ), що
ініціюється електричним розрядом (імпульсний режим)
Здатний працювати в постійному режимі в області мегаваттних потужностей і в імпульсному режимі в області тераваттних потужностей. Один з самих могутніх лазерів. Лазерні озброєння. Лазерний термоядерний синтез (ЛТС).
Хімічний лазер на кисні і йоді (COIL)
1,315 мкм
Хімічна реакція в пламенисинглетного кисня і йоду
Здатний працювати в постійному режимі в області мегаваттних потужностей. Також створений і імпульсний варіант. Наукові дослідження, лазерні озброєння. Обробка матеріалів. Лазерний термоядерний синтез (ЛТС). У перспективі: джерело накачка неодимових лазерів і рентгенівських лазерних систем.
Углекислотний лазер (CO 2 )
10,6 мкм, (9,6 мкм)
Поперечний (великі потужності) або подовжній (малі потужності) електричний розряд, хімічна реакція (DF-CO 2 лазер)
Обробка матеріалів (різання, зварювання), хірургія. Лазер на монооксиде вуглеводу (CO)
2,5-4,2 мкм, 4,8-8,3 мкм
Електричний розряд; хімічна реакція
Обробка матеріалів (гравіювання, зварювання і т. д, фотоакустична спектроскопія.
Ексимерний лазер
193 нм (ArF), 248 нм (KrF), 308 нм (XeCl), 353 нм (XeF)
Рекомбінація ексимерних молекул при електричному розряді
Ультрафіолетова літографія в напівпровідниковій промисловості, лазерна хірургія, корекція зору.
Лазери на барвниках
Робоче тіло
Довжина хвилі
Джерело накачка
Застосування Лазер на барвниках
390-435 нм (Стільбен), 460-515 нм (Кумарін 102), 570-640 нм (Родамін
6G), інші
Інший лазер, імпульсна лампа.
Наукові дослідження, спектроскопія, косметична хірургія, розділення
ізотопів. Робочий діапазон визначається типом барвника.
Лазери на парах металів
Робоче тіло
Довжина хвилі
Джерело накачка
Застосування
Гелій-кадмієвий лазер на парах металів
440 нм, 325 нм
Електричний розряд в суміші пар металу і гелію.
Поліграфія, УХ детектори валюти, наукові дослідження.
Гелій-ртутний лазер на парах металів
567 нм, 615 нм
Електричний розряд в суміші пар металу і гелію.
Археологія, наукові дослідження, учбові лазери.
Гелий-селеновий лазер на парах металів до 24 спектральних смуг від червоного до УХ
Електричний розряд в суміші пар металу і гелію.
Археологія, наукові дослідження, учбові лазери. Лазер на парах міді
510,6 нм, 578,2 нм
Електричний розряд
Дерматологія, швидкісна фотографія, накачка лазерів на барвниках. Лазер на парах золота
627 нм
Електричний розряд
Археологія, медицина.
Твердотільні лазери
Робоче тіло
Довжина хвилі
Джерело накачка
Застосування
Рубіновий лазер
694,3 нм
Імпульсна лампа
Голографія, видалення татуїровок. Перший представлений тип лазера
(1960).
Алюмо-иттриевие лазери з легуванням неодимом (Nd:)(YAG)
1,064 мкм, (1,32 мкм)
Імпульсна лампа, лазерний діод
Обробка матеріалів, лазерні далекоміри, лазерні целеуказатели, хірургія, наукові дослідження, накачка інших лазерів. Один з самих поширених лазерів високої потужності. Звичайно працює в імпульсному режимі (частки наносекунд. Нерідко використовується в поєднанні з удвоителем частоти. Відомі конструкції з квазинепреривним режимом випромінювання. Лазер на фториді иттрия-літію з легированиемнеодимом (Nd:)(YLF)
1,047 і 1,053 мкм
Імпульсна лампа, лазерний діод
Найчастіше використовуються для накачка титан-сапфирових лазерів, використовуючи ефект подвоєння частоти в нелінійній оптиці. Лазер на ванадате иттрия (YVO 4 ) з легированиемнеодимом
(Nd:)(YVO)
1,064 мкм
Лазерні діоди
Найчастіше використовуються для накачка титан-сапфирових лазерів, використовуючи ефект подвоєння частоти в нелінійній оптиці. Лазер на неодимовом склі (Nd:)(Glass)
1,062 мкм (Силікатне скло), 1,054 мкм (Фосфатне скло)
Імпульсна лампа, Лазерні діоди
Лазери надвисокої потужності (тераватти) і енергії (мегаджоули).
Звичайно працюють в нелінійному режимі потроєння частоти до 351 нм в пристроях лазерної плавки. Лазерний термоядерний синтез (ЛТС). Накачка рентгенівських лазерів.
Титан-сапфировий лазер
650-1100 нм
Інший лазер
Спектроскопія, лазерні далекоміри, наукові дослідження.
Алюмо-иттриевие лазери з легуванням тулием (Tm:)(YAG)
2,0 мкм
Лазерні діоди
Лазерні радари
Алюмо-іттрієвие лазери з легуванням иттербием (Yb:)(YAG)
1,03 мкм
Імпульсна лампа, Лазерні діоди
Обробка матеріалів, дослідження сверхкоротких
імпульсів, мультифотонная мікроскопія, лазерні далекоміри.
Алюмо-иттриевие лазери з легуванням гольмием (Ho:)(YAG)
2,1 мкм
Лазерні діоди Медицина
Церій-легований літій-стронцій (або кальцій)-алюмо-фторидний лазер
(Ce:)(LiSAF, Ce:)(LiCAF)
280-316 нм Лазер Nd:YAG з почетверінням частоти, Ексимерний лазер, лазер на парах ртуті.
Дослідження атмосфери, лазерні далекоміри, наукові розробки. Лазер на александрит з легуванням хромом
Настроюється в діапазоні від 700 до 820 нм
Імпульсна лампа, Лазерні діоди. Для безперервного режиму - дугова ртутна лампа
Дерматологія, лазерні далекоміри.
Волоконний лазер лазер з легуванням ербием
1,53-1,56 мкм
Лазерні діоди
Оптичні підсилювачі у волоконно-оптичних лініях зв'язку, обробка металів (різання, зварювання, гравіювання), термораскаливание стікти, медицина, косметология.
Лазери на фториді кальцію, легованому ураном (U:)(CaF 2 )
2,5 мкм
Імпульсна лампа
Перший х уровневий твердотільний лазер, другий працюючий тип лазера (після рубінового лазера Маймана), охлаждаться рідким гелієм, сьогодні ніде не використовується.
Напівпровідникові лазери
Робоче тіло
Довжина хвилі
Джерело накачка
Застосування
Полупроводниковийлазерний діод
Довжина хвилі залежить від матеріалу і структури активної області: ближній УХ, фіолетовий, синій - напівпровідникові нитриди Ga, Al; червоний, ближній ИК-діапазон - з'єднання на основі Al, Ga, As; ближній і середній ИК-діапазон - з'єднання, вмісні In, Р, Sb; середній ИК - дальній ИК- діапазон - солі свинця; середній ИК - терагерцовий діапазон - напівпровідникові квантово-каскадні лазери
Електричний струм, оптична накачка
Телекомунікації, голографія, лазерні целеуказатели, лазерні принтери, накачка лазерів інших типів. AlGaAs-лазери (алюминий-арсенид-галлиевие), працюючі в діапазоні 780 нм використовуються в програвачах компакт- дискови є самими поширеними в світі.
Інші типи лазерів
Робоче тіло
Довжина хвилі
Джерело накачка
Застосування Лазер на вільних електронах
Довжина хвилі рентгенівського лазера варіюється в діапазоні 0,085-6 нм. Пучок релятивістських електронів
Дослідження атмосфери, матеріалознавство, медицина, протиракетна оборона.
Псевдо-никельово-самарієвийлазер
Рентгенівське випромінювання 17,3 нм
Випромінювання в сверхгорячей плазмесамария, що створюється двійчастими імпульсами лазера на неодимовомстекле. Перший демонстраційний лазер, працюючий в області жорсткого рентгенівського випромінювання. Може застосовуватися в мікроскопах надвисокого дозволу і голографії. Його випромінювання лежить у "вікні прозорості" води і дозволяє дослідити структуру ДНК, активність вірусів в клітках, дію ліків. Лазер на центрах забарвлення
Довжина хвилі 0,8 - 4 мікрон.
Оптична (лампа спалах, лазерний) електронів
Спектроскопія, медицина.
2. Застосування лазерів в машинобудуванні Коли в кінці XIX - початку XX віку фантасти заговорили про винахід майбутнього так званих "світлових променях", передвісників сучасного лазера, вони навіть не передбачали, як значущим і поширеним стане застосування цього фізичного феномена в житті людини. Герберт Уеллс в романові "Війна світів" і А. К. Толстой в "Гіперболоїді інженера Гаріна" знайшли лише два способи застосування "теплових променів": у військових цілях і при проведенні геологічних досліджень. Реальність виявилася істотно багатше і різносторонньої самих сміливих фантазій письменників віку, що пішов. Сьогодні, видимо, вже немає жодній сфери людської діяльності, де б ні застосовувалися пристрої на основі лазерних технологій. Особливо велике поширення і широкі перспективи лазери знаходять в самих різних галузях машинобудування.
Когерентний промінь замість пилки. Одним з основних процесів отримання заготівель в машинобудуванні є різання металу. Для цього широке застосування знаходять самі різноманітні
її методи. Традиційно використовуються механічні способи - різання ножовочними полотнами, стрічковими пилками, фрезами. Для цього у виробництві також використовуються станки загального і спеціального
призначення для раскроя листових, профільних і інших заготівель з різних металів і сплавів. При дешевизні традиційних способів у них немало родових проблем, які не можуть бути вирішені технологічно. Серед нестач старих способів різання - невисока продуктивність, мала стійкість ріжучого
інструмента, а також проблематичність, а часом і повна неможливість разнофигурной різання по круглих і кривих контурах. У пошуках розв'язання цих проблем в машинобудування прийшли
інакші способи розділення матеріалів, засновані на електрохімічному, електрофизическом і фізико-механічному впливах.
Серед них високошвидкісне газове і плазмове різання, плазмове різання проникаючою дугою. Однак ці способи при високій продуктивності відрізняються низькою точністю, а також великими витратами в сфері термічного впливу наметал, вимагають додаткових способів очищення і т. п. З іншого боку, застосовується неймовірно точна, що дозволяє виготовляти деталі будь-якої геометрії електроерозионная різання. Але ця методика відрізняється надто низькою продуктивністю, високою технологічною складністю.
Лазерне різання позбавлене багатьох вищеперелічених проблем.
Лазерне випромінювання, забезпечуючи високу концентрацію енергії, дозволяє розділяти практично будь-які метали і сплави незалежно від їх теплофизических властивостей. При цьому можна отримувати вузькі розрізи з мінімальною зоною термічного впливу. При лазерному різанні не потрібно механічний вплив наметал, що обробляється, а виникаючі деформації, як тимчасове в процесі різання, так і залишкові після повного охолодження, незначне. Це дозволяє здійснювати лазерне різання з високою мірою точності.
Завдяки великій густині потужності лазерного випромінювання забезпечується висока продуктивність, що поєднується з високою якістю поверхні реза.
Основна перевага лазерного різання - її автоматизація і комп'ютеризація, можливість перейти з одного типу деталей будь-якої геометричної складності на інший тип без відчутних витрат часу. Щоб почати випуск нової продукції, не потрібне виготовлення серії спеціальних
інструментів для наладки лінії, що значно знижує витрати на вкладення і власне собівартість продукції, що випускається.
Освоєння випуску нового типу деталі не займає більше часу, ніж складання самого креслення і введення йогов комп'ютер, керуючий лазером.
Якість продукції, що виготовляється дозволяє здійснювати зварювання встик без зміщень кромок зрізу і попередньої обробки сторін, що з'єднуються.
Лазерне різання на відміну від круглого універсального інструмента дозволяє виконувати гострі кути, переходи без радіусів, тонкі перемички (товщиною менше за 1-2 мм, отвори будь-якого діаметра. У роботизированних системах промінь лазера дозволяє проводити об'ємне різання із застосуванням
високотехнічний оптоволоконних систем. Використання лазера особливо вигідне в тих випадках, коли потрібно виготовлення складних деталей малими серіями і великої номенклатури. А в сучасному машинобудуванні такі, що ще учора вважалися унікальними замовлення стають все більш поширеними. Тому лазери застосовуються для виготовлення і випробування дослідних зразків техніки: корпусів автомобілів, зброї, беспилотних літальних апаратів, деталей космічних апаратів і багато чого іншого.
Сьогодні найбільш дорогим виглядом інструмента є штампи і прес- форми, тому використання технології лазерного раскроя замість традиційної вирубки-висечки має очевидні переваги. Лазерні раскройние комплекси дозволяють проводити раскрой тонколистових матеріалів з швидкістю 120 м/міна при точності 0,01 мм. Лазер широко використовують для прошивки отворів. Застосування лазера для свердлування виявляється ефективним в порівнянні з іншими способами в деяких випадках: свердлування під кутом, при співвідношенні глибини отвору до діаметра більше одиниці (глибокий отвір), свердлування в жароміцних і твердих металах. Навіть застосування електроерозионних прошивочних станків не дозволяє повністю уникнути деформації і поломок
інструмента (дротяного електрода) через відведення осі отвору при глибокому свердлуванні. Для різання металів в Росії і за рубежем застосовуються технологічні установки на основі твердотільних і газових СО2-лазерів, працюючих як в безперервному, так і в імпульсно-періодичному режимах випромінювання.
Потрібно відмітити, що в зіставленні з іншими, вживаними на виробництві станками вартість лазерного обладнання для різання досить висока. Але завдяки високій продуктивності, точності деталей, що виготовляються, легкість перенастройки параметрів різка під ту або інакшу задачу, а також можливості використання в тих областях, де традиційні підходи викликають певні труднощі, лазерне різання є одним з самих перспективних і конкурентоздатних технологічних процесів. Без зварника і електрода.
Ще одні важливим напрямом застосування лазерів в машинобудуванні є лазерне зварювання. Цей спосіб відкрив нові перспективи в з'єднанні металу. Тепер вже немає таких витрат виробництва, як при класичному дуговому зварюванні. У минулому майже все залежало від майстерності зварника і його практичних навиків, сьогодні ці процеси автоматизовані. При лазерному зварюванні відсутні товсті шви, що з'являються в старих видах зварювання.
Лазерне зварювання проводять як на повітрі, так і в середовищі захисних газів: аргону, СО. Вакуум, як при електронно-променевому
зварюванні, тут не потрібен, тому лазерним променем можна зварювати великогабаритні конструкції. Лазерний промінь легко справляється і регулюється, за допомогою дзеркальних оптичних систем легко транспортується і прямує у важкодоступні для інших способів місця. На відміну від електронного променя і електричної дуги на нього не впливають магнітні поля, що забезпечує стабільне формування шва. Через високу концентрацію енергії (в плямі діаметром 0,1 мм і менш) в процесі лазерного зварювання об'єм зварювальної ванни невеликої, мала ширина зони термічного впливу, високі швидкості нагріву і охолоджування. Це забезпечує високу технологічну міцність зварних з'єднань, невеликі деформації зварних конструкцій. Лазерне зварювання вилки з карданним валом автомобіля в порівнянні з дуговим зварюванням збільшує термін служби карданної передачі в три рази, тому що більш ніж вдвоє меншає площа перетину зварного шва, в декілька разів - час зварювання. Деформації вилки, зухвалі передчасний знос, практично відсутні.
Швидкість лазерного зварювання безперервним випромінюванням в декілька разів перевищує швидкості традиційних способів зварювання плавленням. Наприклад, стальний лист завтовшки 20 мм електричною дугою зварюють з швидкістю 15 м/ч за 5-8 проходів, ширина шва виходить 20 мм.
Безперервним лазерним променем цей лист зварюється з швидкістю 100 м/ч за один прохід, отримують ширину шва 5 мм. У зварювальних системах застосовуються як постійні, так і імпульсні лазери. Постійні лазери зварюють набагато швидше традиційних методів. Лазерне зварювання імпульсним випромінюванням по швидкості порівнянна з традиційними способами зварювання, але має і важливі переваги. При використанні імпульсних лазерів практично відсутні явища перегріву як самої зварювальної системи, так і, що особливо важливо, поверхні, що зварюється.
Лазерне зварювання проводиться як з крізним, так і з частковим проплавлением. Зварні шви однаково добре формуються в будь-якому просторовому положенні. При товщині кромок, що зварюються менше за 0,1 мм і при зварюванні великої товщини з глибоким проплавлением по-різному відбувається формування шва і різні підходи до вибору параметрів режиму зварювання. При зварюванні як безперервним, так і імпульсним випромінюванням малої товщини використовують більш м'які режими, що забезпечують лише розплавлення металу в стику деталей без перегріву його до температури інтенсивного випаровування. Зварювання сталей і інших відносно малоактивних металів можна в цьому випадку виконувати без додаткового захисту зони нагріву, що істотно спрощує технологію, тоді як зварювання з глибоким проплавлением ведуть із захистом шва газом, склад якого підбирають в залежності від матеріалу, що зварюється.
Найбільш поширене лазерне зварювання
імпульсним випромінюванням в електронній і електротехнічній промисловості, де
зварюють кутові, нахлесточние і стиковие з'єднання тонкостенних деталей. Хороша якість з'єднань забезпечується зварюванням лазерним променем тонких деталей (0,05 - 0,5 мм) з масивними. У цьому випадку, якщо деталі, що зварюються значно відрізняються по товщині, в процесі зварювання промінь зміщають на масивну деталь, чим вирівнюють температурне поле і досягають рівномірного проплавления обох деталей. При лазерному зварюванні нагрів і плавлення металу відбуваються так швидко, що деформація тонкої кромки може не встигти статися до того, як метал затвердіє.
Застосування лазерного зварювання у вітчизняній промисловості отримало широке, але і ще не цілком достатнє для сучасного рівня машинобудування поширення. Причиною цього є як висока вартість технологічних лазерів і особливо зварювальних роботів, так і недостатній досвід застосування цих технологій. Однак, якщо застосування традиційних способів не дає бажаних результатів або технічно нездійсненне, без лазерного зварювання обійтися неможливо. До таких випадків відноситься необхідність отримання прецизионной (високоточної) конструкції, форма і розміри якої не повинні мінятися внаслідок зварювання. Лазерне зварювання доцільне, коли вона дозволяє значно спростити технологію виготовлення зварних виробів, виконуючи зварювання як заключну операцію без подальшого виправлення або механічної обробки. Економічно ефективне лазерне зварювання, коли необхідно істотно підвищити продуктивність, оскільки швидкість її може бути в декілька разів більше, ніж у традиційних способів.
Однак виявилося, що і у класичного лазерного зварювання є недоліки.
Насамперед цепов язано з низькою ефективністю нагріву металів лазерним випромінюванням, зумовленою їх високою відбивною здатністю на частотах випромінювання, характерних для більшості технологічних лазерів.
Іншим чинником, що знижує ефективність використання могутніх лазерів, є та, що з'являється в момент впливу лазером поверхнева плазма.
Плазмова пара істотно зменшує частку лазерної енергії, що подається на робочу поверхню. Внаслідок чого лазер залишається недостатньо ефективним і інструментом, що вельми дорого коштує для реалізації більшості технологій обробки матеріалів. Також існує і ряд технічних проблем, перешкоджаючих впровадженню лазерного зварювання, такі як високі вимоги до зазора між площинами, що зварюються і висока твердість шва.
Дослідження зарубіжних і вітчизняних вчених допомогли вирішити значну частину цих проблем використанням гібридних способів зварювання, наприклад "лазер+дуга", "лазер+плазма". Однак, з іншого боку, при цих
способах втрачаються головні особливості, такі як кинжальность проплавления і мала зона термічного впливу.
Крім гібридних процесів лазерного зварювання, де лазерний промінь об'єднується з абсолютно інакшими технологіями, такими як дуга і плазма, великі можливості дала технологія використання другого лазерного променя. З економічної точки зору, використання двох лазерів потужністю до 10 кВт більш вигідне, ніж одного як по капітальних вкладеннях, так і по експлуатаційній вартості використання лазера в годину. Двухлучевая СО2-лазерне зварювання дозволило збільшити глибину проплавления, зберігаючи класичну формулу 1 кВт на 1 мм проплавления.
Технологія двухлучевой лазерного зварювання зменшує вимоги до зборки зразків, також виявилося, що при двухлучевой лазерному зварюванні з присадочной дротом твердість зварного шва порівнянна з основним металом, що було недосяжно при однолучевой зварюванні.
Малярські роботи без грона і валика.
Ще одним напрямом застосування промислових лазерів є обробка поверхонь. Висока густина потужності лазерного випромінювання дозволяє набувати якісно нових властивостей поверхонь, недоступних традиційним методам обробки матеріалів. Лазерна обробка поверхонь металів і сплавів відноситься до локальних методів термічної обробки за допомогою висококонцентрированних джерел нагріву. У зв'язку з цим лазерний промінь як джерело нагріву при термічній обробці матеріалів має риси, властиві всім
іншим висококонцентрированним джерелам. Лазерне випромінювання дозволяє проводити обробку тільки поверхневої дільниці матеріалу без нагріву іншого об'єму і порушення його структури і властивостей, що приводить до мінімального викривлення деталей. У результаті очевидні економічні і технологічні переваги. Лазерна обробка дозволяє оперувати в широкому інтервалі режимів. Це дозволяє досягати необхідних фізичних властивостей поверхні, таких як твердість, зносостійкість, шорсткість, а також геометричні розміри оброблених дільниць. Відсутність механічних зусиль на матеріал, що обробляється дає можливість обробляти малопрочние і тонкостенние виробу.
Методи лазерної термообробки аналогічні звичайним методам термічної обробки сплавів. Для здійснення лазерного гартування
(термоупрочнения) локальну дільницю поверхні масивної деталі нагрівають за допомогою випромінювання до сверхкритических температура після припинення дії випромінювання ця дільниця охлаждаться за рахунок відведення теплоти у внутрішні шари металу. Висока швидкість охолоджування приводить до утворення гартівних структур в сплавах і до високої твердості поверхні.
У тому випадку, коли товщина деталі, що обробляється сумірна з розмірами зони лазерного впливу і умови прискореного теплоотвода не забезпечуються, має місце лазерний відпал. Така технологічна операція знайшла широке застосування в мікроелектроніці для відпалу напівпровідникових матеріалів, особливо імплантованих на металеві підкладки. Лазерний відпал, що полягає в нагріві лазером загартованих деталей до температур нижче критичних, може бути використаний для обробки дрібних деталей в приладобудуванні, наприклад, пружинних елементів і інш.
Лазери також застосовуються для фарбування різних поверхонь. Для цього наметал наносяться спеціальні види хімічних барвників, що згодом закріплюються лазерним випромінюванням. При цьому міцність поверхні, що забарвлюється набагато вище традиційного фарбування.
Термообробка поверхні.
Ще одним напрямом в лазерній обробці матеріалів є оплавлення поверхні. Ця технологічна операція почала розвиватися з появою лазерного випромінювання і іншими методами практично не виконується. При оплавленні для поліпшення якості поверхні (зменшення пористості або шорсткості) режими обробки підбирають виходячи з вимог отримання найкращої микрогеометрії поверхні, швидкість охолоджування в цьому випадку, як правило, не регламентується. Методи отримання поверхневих покриттів - легування і наплавка - відрізняються тим, що дільниця поверхні нагрівається вище за температуру плавлення, в зону оплавления вводять легуючі компоненти, і в результаті утвориться поверхневий шар з хімічним складом, відмінним від основного металу. Вакуумно-лазерне напиление полягає у випаровуванні матеріалу дільниці поверхні під впливом лазерного випромінювання у вакуумі і конденсуванні продуктів, що випарувалися на підкладці. лазер машинобудування графіка ексимерний
Ініціювання поверхневих хімічних реакцій на поверхні сплавів за допомогою теплового впливу лазерного випромінювання або з використанням плазмової хмари поблизу поверхні переслідує мета окислення або відновлення окремих компонентів сплаву або отримання спеціальних з'єднань.
Основна мета лазерного гартування - підвищення зносостійкості деталей, працюючих в умовах тертя. Зменшення зносу деталей після лазерного гартування зумовлене рядом чинників: високою твердістю поверхні, високою дисперсністю структури; збільшенням несучих властивостей поверхні; зменшенням коефіцієнта тертя і інш.
Застосування лазера в гравіюванні.
Технологія лазерного гравіювання заснована на впливі випромінювання безпосередньо на поверхню матеріалу. Завдяки високій точності лазерного гравіювання (товщина лінії 25 мікрон) можна наносити досить складні зображення. Установки для лазерного гравіювання справляються із звичайного комп'ютера з можливістю імпорту зображень з стандартних редакторів векторної графіки або растрової графіки.
Нанесені лазером зображення не наражаються на небезпеку бути змитими або затертими, тому як зроблені з самого матеріалу виробу. Сучасні станки лазерного гравіювання мають функції порядкового гравіювання, завдяки чому можливе нанесення складних малюнків, фотографій з урахуванням півтонів і залиття.
Лазерна графіка може наноситися не тільки наметал, але і на багато які інші матеріали: камінь, гуму, пластик, органічне скло, тканину, шкіру, шовк, кераміку, акрил, бамбук, дерево, МДФ, ДСП, фанеру, шпону, граніт і
інші.
Деякі види такої техніки мають поворотні осі, що дозволяє гравіювати пляшки, скляні вироби, ялинкові іграшки, всілякі круглі і овальні, сферичні вироби. Лазерне гравіювання - одне з самих поширених методів нанесення зображень. Мінімальний вплив на поверхню матеріалу, безконтактна обробка дозволяє не ушкоджувати кінцевий виріб. Після обробки якість матеріалу залишається тією ж.
Висновок
Лазери рішуче і притому широким фронтом вторгаються в нашу дійсність. Вони надзвичайно розширили наші можливості в самих різних областях- обробці матеріалів, медицині, вимірюваннях, контролі, обробці і передачі інформації, фізичних, хімічних і біологічних дослідженнях. Вже сьогодні лазерний промінь оволодів безліччю корисних і цікавих професій. У багатьох випадках застосування лазерного променя дозволяє отримувати унікальні результати. Можна не сумніватися, що в майбутньому промінь лазера подарує нам нові можливості, що представляються сьогодні фантастичними. Ми вже почали звикати до думки, що "лазер все може". Часом це заважає тверезо оцінити реальні можливості лазерної техніки на сучасному етапі її розвитку. Недивно, що надмірні захоплення з приводу можливостей лазерного променя іноді зміняються деяким охолоджуванням до лазерів. Все це, однак, ніяк не може замаскувати основний факт - з винаходом лазера людина отримала в своє розпорядження якісно новий, у високій мірі універсальний, дуже ефективний "інструмент" для повсякденної виробничої і наукової діяльності. З роками цей "інструмент" буде все більш удосконалитися, а разом з цим буде безперервно розширятися і область застосування лазерів.
Наростаючі темпи досліджень в області лазерної техніки відкривають можливості створення нових типів лазерів зі значно поліпшеними характеристиками, що дозволяють розширити області їх застосування в машино- і приладобудуванні. У цей час ми є свідками потужності випромінювання, що безперервно збільшується як твердотільних, так і газових лазерів, працюючих в постійному режимі, що розширює можливості
їх застосування при різних технологічних операціях: зварюванню деталей значно більших габаритів, різанню більш товстих листів з великими швидкостями, свердлуванню із збільшеними швидкостями отворів значних діаметрів і т. д. Відкриваються нові можливості в області зміцнення деталей машин і приладів, а також ріжучих інструментів. Подальші успіхи в цьому напрямі поки обмежуються виходом з ладу окремих оптичних елементів лазера дзеркал, вихідних вікон і інш. - через їх недостатньо високу променеву міцність. У області підвищення променевої міцності виробляються обширні дослідження. Одночасно відкриваються нові можливості застосування лазерів в технологічних операціях. Підвищення стабільності роботи лазерів дозволяє підняти на новий рівень виконання "тонких" операцій доведення, розмірної обробки локального характеру. Для цієї мети, мабуть, найбільш перспективні лазери, працюючі в імпульсному режимі, тривалість імпульсів випромінювання яких не перевершує декількох десятків наносекунд.
скачати
Винахід лазера стоїть водному ряду з найбільш видатними досягненнями науки і техніки XX віку. Перший лазер з'явився в 1960 р, і відразу ж почався бурхливий розвиток лазерної техніки. У короткий час були створені різноманітні типи лазерів і лазерних пристроїв, призначених для рішення конкретних наукових і технічних задач. Лазери вже встигли завоювати міцні позиції в багатьох галузях народного господарства. Лазер - це генератор когерентного світла. На відміну від інших джерел світла (наприклад, ламп розжарювання або ламп денного світла) лазер дає оптичне випромінювання, що характеризується високою мірою впорядкованості світлового поля або, як говорять, високою мірою когерентності.
Таке випромінювання відрізняється високої монохроматичностью і спрямованістю. У наші дні лазери успішно трудяться на сучасному виробництві, справляючись з самими різноманітними задачами.
Лазерним променем розкроюють тканини і ріжуть стальні листи, зварюють кузови автомобілів і приварюють найдрібніші деталі в радіоелектронній апаратурі, пробивають отворив крихких і сверхтвердих матеріалах.
Доведення номіналів пасивних елементів мікросхем і методи отримання на них активних елементів за допомогою лазерного променя отримали подальший розвиток і застосовуються у виробничих умовах. Причому лазерна обробка матеріалів дозволяє підвищити ефективність і конкурентоздатність в порівнянні з іншими видами обробки. У руках хірурга лазерний промінь перетворився в скальпель, що володіє рядом дивних властивостей. Лазери широко використовуються в сучасних контрольно- вимірювальних пристроях, обчислювальних комплексах, системах локації і зв'язку. Лазери дозволяють швидко і надійно контролювати загрязненность атмосфери і поверхні моря, виявляти найбільш навантажені дільниці деталей різних механізмів, визначати внутрішні дефекти в них. Лазерний промінь стає надійним помічником будівників, картографів, археологів, криміналістів.
Безперервно розширяється область застосування лазерів в наукових дослідженнях - фізичних, хімічних, біологічних.
Чудові властивості лазерів - виключно висока когерентність і спрямованість випромінювання, можливість генерування когерентних хвиль великої інтенсивності у видимій, інфрачервоній і ультрафіолетовій областях спектра, отримання високої густини енергії як в безперервному, так і в
імпульсному режимі - вже на зорі квантової електроніки вказувало на можливість широкого їх застосування для практичних цілей. З початку свого виникнення лазерна техніка розвивається виключно високими темпами.
З'являються нові типи лазерів і одночасно удосконаляться старі: створюються лазерні установки з необхідним для різних конкретних цілей комплексом характеристика також різного роду прилади управління променем, все більш і більш удосконалюється вимірювальна техніка. Це послужило причиною глибокого проникнення лазерів у багато які галузі народного господарства, і зокрема в машинобудуванні і приладобудуванні.
Значна імпульсна потужність і енергія лікування сучасних твердотільних і газових лазерів дозволили впритул підійти до розв'язання проблем лазерної енергетики - розробці лазерної зброї для систем протиракетної оборони, керованого термоядерного синтезу, розділення
ізотопів і променевої передачі енергії, в тому числі на космічні об'єкти. Треба особливо відмітити, що освоєння лазерних методів або, інакше говорячи, лазерних технологій значно підвищує ефективність сучасного виробництва. Лазерні технології дозволяють здійснювати найбільш повну автоматизацію виробничих процесів. Одночасно при цьому економиться сировина і робочий час, підвищується якість продукції. Наприклад, практично миттєва пробивка отворів лазерним випромінюванням у багато разів збільшує продуктивність роботи сверловщика і до того ж істотно підвищує якість цієї роботи. Лазерне виготовлення мікросхем відрізняється високою продуктивністю і високою якістю. У обох прикладах виробничі операції легко піддаються автоматизації; управління лазерним променем може взяти на себе спеціальний обчислювальний пристрій. Можна упевнено затверджувати, що впровадження і вдосконалення лазерних технологій приведе до якісної зміни всього вигляду сучасного виробництва.
Величезні і вражаючі досягнення лазерної техніки сьогоднішнього дня.
Завтрашній день обіцяє ще більш грандіозну свершения. З лазерами пов'язані багато які надії: від створення об'ємного кіно до розв'язання таких глобальних проблем, як встановлення наддалекого наземного і підводного оптичного зв'язку, розгадку таємниць фотосинтезу, здійснення керованої термоядерної реакції, появу систем з великим об'ємом пам'яті і швидкодіючими пристроями введення-виведення.
1. Історія створення лазера Слово "лазер" складено з початкових букв в англійському словосполученні Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, що в перекладі на російську мову означає: посилення світла за допомогою вимушеного випущення. Таким чином, в самому терміні лазер відображена та фундаментальна роль процесів вимушеного випущення, яку вони грають в генераторах і підсилювачах когерентного світла. Тому історію створення лазера потрібно починати з 1917 р, коли Альберт Ейнштейн уперше ввів уявлення про вимушене випущення. Це був перший крок на шляху до лазера.
Наступний крок зробив радянський фізик В. А. Фабрікант, що вказав в 1939 р. на можливість використання вимушеного випущення для посилення електромагнітного випромінювання при його проходженні через речовину.
Ідея, висловлена В. А. Фабрікантом, передбачала використання микросистем з інверсною заселенностью рівнів.
інфрачервоному і видимому діапазонах. У кінці статті автори писали
"Відсутність принципових обмежень дозволяє сподіватися нате, що найближчим часом будуть створені генератори і підсилювачі в
інфрачервоному і оптичному діапазоні хвиль".
2. Види лазерів
Газові лазери
Робоче тіло
Довжина хвилі
Джерело накачка
Застосування
Гелій-неоновий лазер
632,8 нм (543,5; 593,9; 611,8 нм, 1,1523; 1,52; 3,3913 мкм)
Електричний розряд
Інтерферометрія, голографія, спектроскопія, лічення штриха-кодів, демонстрація оптичних ефектів.
Аргоновий лазер
488,0; 514,5 нм, (351; 465,8; 472,7; 528,7 нм)
Електричний розряд
Лікування сітчатки ока, літографія, накачка інших лазерів.
Кріптоновийлазер
416; 530,9; 568,2; 647,1; 676,4; 752,5; 799,3 нм
Електричний розряд
Наукові дослідження, в суміші з аргоном лазери білого світла, лазерне шоу.
Ксеноновийлазер
Безліч спектральних ліній по всьому видимомуспектру і частково в УХ і ІКобластях.
Електричний розряд
Наукові дослідження.
Азотний лазер
337,1 нм (316; 357 нм)
Електричний розряд Накачка лазерів на барвниках, дослідження забруднення атмосфери, наукові дослідження, учбові лазери. Лазер на фтористом водні
2,7-2,9 мкм (Фтористий водень) 3,6-4,2 мкм (фторид дейтерія)
Хімічна реакція горіння етилена і трехфтористого азоту (NF 3 ), що
ініціюється електричним розрядом (імпульсний режим)
Здатний працювати в постійному режимі в області мегаваттних потужностей і в імпульсному режимі в області тераваттних потужностей. Один з самих могутніх лазерів. Лазерні озброєння. Лазерний термоядерний синтез (ЛТС).
Хімічний лазер на кисні і йоді (COIL)
1,315 мкм
Хімічна реакція в пламенисинглетного кисня і йоду
Здатний працювати в постійному режимі в області мегаваттних потужностей. Також створений і імпульсний варіант. Наукові дослідження, лазерні озброєння. Обробка матеріалів. Лазерний термоядерний синтез (ЛТС). У перспективі: джерело накачка неодимових лазерів і рентгенівських лазерних систем.
Углекислотний лазер (CO 2 )
10,6 мкм, (9,6 мкм)
Поперечний (великі потужності) або подовжній (малі потужності) електричний розряд, хімічна реакція (DF-CO 2 лазер)
Обробка матеріалів (різання, зварювання), хірургія. Лазер на монооксиде вуглеводу (CO)
2,5-4,2 мкм, 4,8-8,3 мкм
Електричний розряд; хімічна реакція
Обробка матеріалів (гравіювання, зварювання і т. д, фотоакустична спектроскопія.
Ексимерний лазер
193 нм (ArF), 248 нм (KrF), 308 нм (XeCl), 353 нм (XeF)
Рекомбінація ексимерних молекул при електричному розряді
Ультрафіолетова літографія в напівпровідниковій промисловості, лазерна хірургія, корекція зору.
Лазери на барвниках
Робоче тіло
Довжина хвилі
Джерело накачка
Застосування Лазер на барвниках
390-435 нм (Стільбен), 460-515 нм (Кумарін 102), 570-640 нм (Родамін
6G), інші
Інший лазер, імпульсна лампа.
Наукові дослідження, спектроскопія, косметична хірургія, розділення
ізотопів. Робочий діапазон визначається типом барвника.
Лазери на парах металів
Робоче тіло
Довжина хвилі
Джерело накачка
Застосування
Гелій-кадмієвий лазер на парах металів
440 нм, 325 нм
Електричний розряд в суміші пар металу і гелію.
Поліграфія, УХ детектори валюти, наукові дослідження.
Гелій-ртутний лазер на парах металів
567 нм, 615 нм
Електричний розряд в суміші пар металу і гелію.
Археологія, наукові дослідження, учбові лазери.
Гелий-селеновий лазер на парах металів до 24 спектральних смуг від червоного до УХ
Електричний розряд в суміші пар металу і гелію.
Археологія, наукові дослідження, учбові лазери. Лазер на парах міді
510,6 нм, 578,2 нм
Електричний розряд
Дерматологія, швидкісна фотографія, накачка лазерів на барвниках. Лазер на парах золота
627 нм
Електричний розряд
Археологія, медицина.
Твердотільні лазери
Робоче тіло
Довжина хвилі
Джерело накачка
Застосування
Рубіновий лазер
694,3 нм
Імпульсна лампа
Голографія, видалення татуїровок. Перший представлений тип лазера
(1960).
Алюмо-иттриевие лазери з легуванням неодимом (Nd:)(YAG)
1,064 мкм, (1,32 мкм)
Імпульсна лампа, лазерний діод
Обробка матеріалів, лазерні далекоміри, лазерні целеуказатели, хірургія, наукові дослідження, накачка інших лазерів. Один з самих поширених лазерів високої потужності. Звичайно працює в імпульсному режимі (частки наносекунд. Нерідко використовується в поєднанні з удвоителем частоти. Відомі конструкції з квазинепреривним режимом випромінювання. Лазер на фториді иттрия-літію з легированиемнеодимом (Nd:)(YLF)
1,047 і 1,053 мкм
Імпульсна лампа, лазерний діод
Найчастіше використовуються для накачка титан-сапфирових лазерів, використовуючи ефект подвоєння частоти в нелінійній оптиці. Лазер на ванадате иттрия (YVO 4 ) з легированиемнеодимом
(Nd:)(YVO)
1,064 мкм
Лазерні діоди
Найчастіше використовуються для накачка титан-сапфирових лазерів, використовуючи ефект подвоєння частоти в нелінійній оптиці. Лазер на неодимовом склі (Nd:)(Glass)
1,062 мкм (Силікатне скло), 1,054 мкм (Фосфатне скло)
Імпульсна лампа, Лазерні діоди
Лазери надвисокої потужності (тераватти) і енергії (мегаджоули).
Звичайно працюють в нелінійному режимі потроєння частоти до 351 нм в пристроях лазерної плавки. Лазерний термоядерний синтез (ЛТС). Накачка рентгенівських лазерів.
Титан-сапфировий лазер
650-1100 нм
Інший лазер
Спектроскопія, лазерні далекоміри, наукові дослідження.
Алюмо-иттриевие лазери з легуванням тулием (Tm:)(YAG)
2,0 мкм
Лазерні діоди
Лазерні радари
Алюмо-іттрієвие лазери з легуванням иттербием (Yb:)(YAG)
1,03 мкм
Імпульсна лампа, Лазерні діоди
Обробка матеріалів, дослідження сверхкоротких
імпульсів, мультифотонная мікроскопія, лазерні далекоміри.
Алюмо-иттриевие лазери з легуванням гольмием (Ho:)(YAG)
2,1 мкм
Лазерні діоди Медицина
Церій-легований літій-стронцій (або кальцій)-алюмо-фторидний лазер
(Ce:)(LiSAF, Ce:)(LiCAF)
280-316 нм Лазер Nd:YAG з почетверінням частоти, Ексимерний лазер, лазер на парах ртуті.
Дослідження атмосфери, лазерні далекоміри, наукові розробки. Лазер на александрит з легуванням хромом
Настроюється в діапазоні від 700 до 820 нм
Імпульсна лампа, Лазерні діоди. Для безперервного режиму - дугова ртутна лампа
Дерматологія, лазерні далекоміри.
Волоконний лазер лазер з легуванням ербием
1,53-1,56 мкм
Лазерні діоди
Оптичні підсилювачі у волоконно-оптичних лініях зв'язку, обробка металів (різання, зварювання, гравіювання), термораскаливание стікти, медицина, косметология.
Лазери на фториді кальцію, легованому ураном (U:)(CaF 2 )
2,5 мкм
Імпульсна лампа
Напівпровідникові лазери
Робоче тіло
Довжина хвилі
Джерело накачка
Застосування
Полупроводниковийлазерний діод
Довжина хвилі залежить від матеріалу і структури активної області: ближній УХ, фіолетовий, синій - напівпровідникові нитриди Ga, Al; червоний, ближній ИК-діапазон - з'єднання на основі Al, Ga, As; ближній і середній ИК-діапазон - з'єднання, вмісні In, Р, Sb; середній ИК - дальній ИК- діапазон - солі свинця; середній ИК - терагерцовий діапазон - напівпровідникові квантово-каскадні лазери
Електричний струм, оптична накачка
Телекомунікації, голографія, лазерні целеуказатели, лазерні принтери, накачка лазерів інших типів. AlGaAs-лазери (алюминий-арсенид-галлиевие), працюючі в діапазоні 780 нм використовуються в програвачах компакт- дискови є самими поширеними в світі.
Інші типи лазерів
Робоче тіло
Довжина хвилі
Джерело накачка
Застосування Лазер на вільних електронах
Довжина хвилі рентгенівського лазера варіюється в діапазоні 0,085-6 нм. Пучок релятивістських електронів
Дослідження атмосфери, матеріалознавство, медицина, протиракетна оборона.
Псевдо-никельово-самарієвийлазер
Рентгенівське випромінювання 17,3 нм
Випромінювання в сверхгорячей плазмесамария, що створюється двійчастими імпульсами лазера на неодимовомстекле. Перший демонстраційний лазер, працюючий в області жорсткого рентгенівського випромінювання. Може застосовуватися в мікроскопах надвисокого дозволу і голографії. Його випромінювання лежить у "вікні прозорості" води і дозволяє дослідити структуру ДНК, активність вірусів в клітках, дію ліків. Лазер на центрах забарвлення
Довжина хвилі 0,8 - 4 мікрон.
Оптична (лампа спалах, лазерний) електронів
Спектроскопія, медицина.
2. Застосування лазерів в машинобудуванні Коли в кінці XIX - початку XX віку фантасти заговорили про винахід майбутнього так званих "світлових променях", передвісників сучасного лазера, вони навіть не передбачали, як значущим і поширеним стане застосування цього фізичного феномена в житті людини. Герберт Уеллс в романові "Війна світів" і А. К. Толстой в "Гіперболоїді інженера Гаріна" знайшли лише два способи застосування "теплових променів": у військових цілях і при проведенні геологічних досліджень. Реальність виявилася істотно багатше і різносторонньої самих сміливих фантазій письменників віку, що пішов. Сьогодні, видимо, вже немає жодній сфери людської діяльності, де б ні застосовувалися пристрої на основі лазерних технологій. Особливо велике поширення і широкі перспективи лазери знаходять в самих різних галузях машинобудування.
Когерентний промінь замість пилки. Одним з основних процесів отримання заготівель в машинобудуванні є різання металу. Для цього широке застосування знаходять самі різноманітні
її методи. Традиційно використовуються механічні способи - різання ножовочними полотнами, стрічковими пилками, фрезами. Для цього у виробництві також використовуються станки загального і спеціального
інструмента, а також проблематичність, а часом і повна неможливість разнофигурной різання по круглих і кривих контурах. У пошуках розв'язання цих проблем в машинобудування прийшли
інакші способи розділення матеріалів, засновані на електрохімічному, електрофизическом і фізико-механічному впливах.
Серед них високошвидкісне газове і плазмове різання, плазмове різання проникаючою дугою. Однак ці способи при високій продуктивності відрізняються низькою точністю, а також великими витратами в сфері термічного впливу наметал, вимагають додаткових способів очищення і т. п. З іншого боку, застосовується неймовірно точна, що дозволяє виготовляти деталі будь-якої геометрії електроерозионная різання. Але ця методика відрізняється надто низькою продуктивністю, високою технологічною складністю.
Лазерне різання позбавлене багатьох вищеперелічених проблем.
Лазерне випромінювання, забезпечуючи високу концентрацію енергії, дозволяє розділяти практично будь-які метали і сплави незалежно від їх теплофизических властивостей. При цьому можна отримувати вузькі розрізи з мінімальною зоною термічного впливу. При лазерному різанні не потрібно механічний вплив наметал, що обробляється, а виникаючі деформації, як тимчасове в процесі різання, так і залишкові після повного охолодження, незначне. Це дозволяє здійснювати лазерне різання з високою мірою точності.
Завдяки великій густині потужності лазерного випромінювання забезпечується висока продуктивність, що поєднується з високою якістю поверхні реза.
Основна перевага лазерного різання - її автоматизація і комп'ютеризація, можливість перейти з одного типу деталей будь-якої геометричної складності на інший тип без відчутних витрат часу. Щоб почати випуск нової продукції, не потрібне виготовлення серії спеціальних
інструментів для наладки лінії, що значно знижує витрати на вкладення і власне собівартість продукції, що випускається.
Освоєння випуску нового типу деталі не займає більше часу, ніж складання самого креслення і введення йогов комп'ютер, керуючий лазером.
Якість продукції, що виготовляється дозволяє здійснювати зварювання встик без зміщень кромок зрізу і попередньої обробки сторін, що з'єднуються.
Лазерне різання на відміну від круглого універсального інструмента дозволяє виконувати гострі кути, переходи без радіусів, тонкі перемички (товщиною менше за 1-2 мм, отвори будь-якого діаметра. У роботизированних системах промінь лазера дозволяє проводити об'ємне різання із застосуванням
Сьогодні найбільш дорогим виглядом інструмента є штампи і прес- форми, тому використання технології лазерного раскроя замість традиційної вирубки-висечки має очевидні переваги. Лазерні раскройние комплекси дозволяють проводити раскрой тонколистових матеріалів з швидкістю 120 м/міна при точності 0,01 мм. Лазер широко використовують для прошивки отворів. Застосування лазера для свердлування виявляється ефективним в порівнянні з іншими способами в деяких випадках: свердлування під кутом, при співвідношенні глибини отвору до діаметра більше одиниці (глибокий отвір), свердлування в жароміцних і твердих металах. Навіть застосування електроерозионних прошивочних станків не дозволяє повністю уникнути деформації і поломок
інструмента (дротяного електрода) через відведення осі отвору при глибокому свердлуванні. Для різання металів в Росії і за рубежем застосовуються технологічні установки на основі твердотільних і газових СО2-лазерів, працюючих як в безперервному, так і в імпульсно-періодичному режимах випромінювання.
Потрібно відмітити, що в зіставленні з іншими, вживаними на виробництві станками вартість лазерного обладнання для різання досить висока. Але завдяки високій продуктивності, точності деталей, що виготовляються, легкість перенастройки параметрів різка під ту або інакшу задачу, а також можливості використання в тих областях, де традиційні підходи викликають певні труднощі, лазерне різання є одним з самих перспективних і конкурентоздатних технологічних процесів. Без зварника і електрода.
Ще одні важливим напрямом застосування лазерів в машинобудуванні є лазерне зварювання. Цей спосіб відкрив нові перспективи в з'єднанні металу. Тепер вже немає таких витрат виробництва, як при класичному дуговому зварюванні. У минулому майже все залежало від майстерності зварника і його практичних навиків, сьогодні ці процеси автоматизовані. При лазерному зварюванні відсутні товсті шви, що з'являються в старих видах зварювання.
Лазерне зварювання проводять як на повітрі, так і в середовищі захисних газів: аргону, СО. Вакуум, як при електронно-променевому
Швидкість лазерного зварювання безперервним випромінюванням в декілька разів перевищує швидкості традиційних способів зварювання плавленням. Наприклад, стальний лист завтовшки 20 мм електричною дугою зварюють з швидкістю 15 м/ч за 5-8 проходів, ширина шва виходить 20 мм.
Безперервним лазерним променем цей лист зварюється з швидкістю 100 м/ч за один прохід, отримують ширину шва 5 мм. У зварювальних системах застосовуються як постійні, так і імпульсні лазери. Постійні лазери зварюють набагато швидше традиційних методів. Лазерне зварювання імпульсним випромінюванням по швидкості порівнянна з традиційними способами зварювання, але має і важливі переваги. При використанні імпульсних лазерів практично відсутні явища перегріву як самої зварювальної системи, так і, що особливо важливо, поверхні, що зварюється.
Лазерне зварювання проводиться як з крізним, так і з частковим проплавлением. Зварні шви однаково добре формуються в будь-якому просторовому положенні. При товщині кромок, що зварюються менше за 0,1 мм і при зварюванні великої товщини з глибоким проплавлением по-різному відбувається формування шва і різні підходи до вибору параметрів режиму зварювання. При зварюванні як безперервним, так і імпульсним випромінюванням малої товщини використовують більш м'які режими, що забезпечують лише розплавлення металу в стику деталей без перегріву його до температури інтенсивного випаровування. Зварювання сталей і інших відносно малоактивних металів можна в цьому випадку виконувати без додаткового захисту зони нагріву, що істотно спрощує технологію, тоді як зварювання з глибоким проплавлением ведуть із захистом шва газом, склад якого підбирають в залежності від матеріалу, що зварюється.
Найбільш поширене лазерне зварювання
імпульсним випромінюванням в електронній і електротехнічній промисловості, де
Застосування лазерного зварювання у вітчизняній промисловості отримало широке, але і ще не цілком достатнє для сучасного рівня машинобудування поширення. Причиною цього є як висока вартість технологічних лазерів і особливо зварювальних роботів, так і недостатній досвід застосування цих технологій. Однак, якщо застосування традиційних способів не дає бажаних результатів або технічно нездійсненне, без лазерного зварювання обійтися неможливо. До таких випадків відноситься необхідність отримання прецизионной (високоточної) конструкції, форма і розміри якої не повинні мінятися внаслідок зварювання. Лазерне зварювання доцільне, коли вона дозволяє значно спростити технологію виготовлення зварних виробів, виконуючи зварювання як заключну операцію без подальшого виправлення або механічної обробки. Економічно ефективне лазерне зварювання, коли необхідно істотно підвищити продуктивність, оскільки швидкість її може бути в декілька разів більше, ніж у традиційних способів.
Однак виявилося, що і у класичного лазерного зварювання є недоліки.
Насамперед цепов язано з низькою ефективністю нагріву металів лазерним випромінюванням, зумовленою їх високою відбивною здатністю на частотах випромінювання, характерних для більшості технологічних лазерів.
Іншим чинником, що знижує ефективність використання могутніх лазерів, є та, що з'являється в момент впливу лазером поверхнева плазма.
Плазмова пара істотно зменшує частку лазерної енергії, що подається на робочу поверхню. Внаслідок чого лазер залишається недостатньо ефективним і інструментом, що вельми дорого коштує для реалізації більшості технологій обробки матеріалів. Також існує і ряд технічних проблем, перешкоджаючих впровадженню лазерного зварювання, такі як високі вимоги до зазора між площинами, що зварюються і висока твердість шва.
Дослідження зарубіжних і вітчизняних вчених допомогли вирішити значну частину цих проблем використанням гібридних способів зварювання, наприклад "лазер+дуга", "лазер+плазма". Однак, з іншого боку, при цих
Крім гібридних процесів лазерного зварювання, де лазерний промінь об'єднується з абсолютно інакшими технологіями, такими як дуга і плазма, великі можливості дала технологія використання другого лазерного променя. З економічної точки зору, використання двох лазерів потужністю до 10 кВт більш вигідне, ніж одного як по капітальних вкладеннях, так і по експлуатаційній вартості використання лазера в годину. Двухлучевая СО2-лазерне зварювання дозволило збільшити глибину проплавления, зберігаючи класичну формулу 1 кВт на 1 мм проплавления.
Технологія двухлучевой лазерного зварювання зменшує вимоги до зборки зразків, також виявилося, що при двухлучевой лазерному зварюванні з присадочной дротом твердість зварного шва порівнянна з основним металом, що було недосяжно при однолучевой зварюванні.
Малярські роботи без грона і валика.
Ще одним напрямом застосування промислових лазерів є обробка поверхонь. Висока густина потужності лазерного випромінювання дозволяє набувати якісно нових властивостей поверхонь, недоступних традиційним методам обробки матеріалів. Лазерна обробка поверхонь металів і сплавів відноситься до локальних методів термічної обробки за допомогою висококонцентрированних джерел нагріву. У зв'язку з цим лазерний промінь як джерело нагріву при термічній обробці матеріалів має риси, властиві всім
іншим висококонцентрированним джерелам. Лазерне випромінювання дозволяє проводити обробку тільки поверхневої дільниці матеріалу без нагріву іншого об'єму і порушення його структури і властивостей, що приводить до мінімального викривлення деталей. У результаті очевидні економічні і технологічні переваги. Лазерна обробка дозволяє оперувати в широкому інтервалі режимів. Це дозволяє досягати необхідних фізичних властивостей поверхні, таких як твердість, зносостійкість, шорсткість, а також геометричні розміри оброблених дільниць. Відсутність механічних зусиль на матеріал, що обробляється дає можливість обробляти малопрочние і тонкостенние виробу.
Методи лазерної термообробки аналогічні звичайним методам термічної обробки сплавів. Для здійснення лазерного гартування
(термоупрочнения) локальну дільницю поверхні масивної деталі нагрівають за допомогою випромінювання до сверхкритических температура після припинення дії випромінювання ця дільниця охлаждаться за рахунок відведення теплоти у внутрішні шари металу. Висока швидкість охолоджування приводить до утворення гартівних структур в сплавах і до високої твердості поверхні.
Лазери також застосовуються для фарбування різних поверхонь. Для цього наметал наносяться спеціальні види хімічних барвників, що згодом закріплюються лазерним випромінюванням. При цьому міцність поверхні, що забарвлюється набагато вище традиційного фарбування.
Термообробка поверхні.
Ще одним напрямом в лазерній обробці матеріалів є оплавлення поверхні. Ця технологічна операція почала розвиватися з появою лазерного випромінювання і іншими методами практично не виконується. При оплавленні для поліпшення якості поверхні (зменшення пористості або шорсткості) режими обробки підбирають виходячи з вимог отримання найкращої микрогеометрії поверхні, швидкість охолоджування в цьому випадку, як правило, не регламентується. Методи отримання поверхневих покриттів - легування і наплавка - відрізняються тим, що дільниця поверхні нагрівається вище за температуру плавлення, в зону оплавления вводять легуючі компоненти, і в результаті утвориться поверхневий шар з хімічним складом, відмінним від основного металу. Вакуумно-лазерне напиление полягає у випаровуванні матеріалу дільниці поверхні під впливом лазерного випромінювання у вакуумі і конденсуванні продуктів, що випарувалися на підкладці. лазер машинобудування графіка ексимерний
Ініціювання поверхневих хімічних реакцій на поверхні сплавів за допомогою теплового впливу лазерного випромінювання або з використанням плазмової хмари поблизу поверхні переслідує мета окислення або відновлення окремих компонентів сплаву або отримання спеціальних з'єднань.
Основна мета лазерного гартування - підвищення зносостійкості деталей, працюючих в умовах тертя. Зменшення зносу деталей після лазерного гартування зумовлене рядом чинників: високою твердістю поверхні, високою дисперсністю структури; збільшенням несучих властивостей поверхні; зменшенням коефіцієнта тертя і інш.
Застосування лазера в гравіюванні.
Технологія лазерного гравіювання заснована на впливі випромінювання безпосередньо на поверхню матеріалу. Завдяки високій точності лазерного гравіювання (товщина лінії 25 мікрон) можна наносити досить складні зображення. Установки для лазерного гравіювання справляються із звичайного комп'ютера з можливістю імпорту зображень з стандартних редакторів векторної графіки або растрової графіки.
Нанесені лазером зображення не наражаються на небезпеку бути змитими або затертими, тому як зроблені з самого матеріалу виробу. Сучасні станки лазерного гравіювання мають функції порядкового гравіювання, завдяки чому можливе нанесення складних малюнків, фотографій з урахуванням півтонів і залиття.
Лазерна графіка може наноситися не тільки наметал, але і на багато які інші матеріали: камінь, гуму, пластик, органічне скло, тканину, шкіру, шовк, кераміку, акрил, бамбук, дерево, МДФ, ДСП, фанеру, шпону, граніт і
інші.
Деякі види такої техніки мають поворотні осі, що дозволяє гравіювати пляшки, скляні вироби, ялинкові іграшки, всілякі круглі і овальні, сферичні вироби. Лазерне гравіювання - одне з самих поширених методів нанесення зображень. Мінімальний вплив на поверхню матеріалу, безконтактна обробка дозволяє не ушкоджувати кінцевий виріб. Після обробки якість матеріалу залишається тією ж.
Висновок
Лазери рішуче і притому широким фронтом вторгаються в нашу дійсність. Вони надзвичайно розширили наші можливості в самих різних областях- обробці матеріалів, медицині, вимірюваннях, контролі, обробці і передачі інформації, фізичних, хімічних і біологічних дослідженнях. Вже сьогодні лазерний промінь оволодів безліччю корисних і цікавих професій. У багатьох випадках застосування лазерного променя дозволяє отримувати унікальні результати. Можна не сумніватися, що в майбутньому промінь лазера подарує нам нові можливості, що представляються сьогодні фантастичними. Ми вже почали звикати до думки, що "лазер все може". Часом це заважає тверезо оцінити реальні можливості лазерної техніки на сучасному етапі її розвитку. Недивно, що надмірні захоплення з приводу можливостей лазерного променя іноді зміняються деяким охолоджуванням до лазерів. Все це, однак, ніяк не може замаскувати основний факт - з винаходом лазера людина отримала в своє розпорядження якісно новий, у високій мірі універсальний, дуже ефективний "інструмент" для повсякденної виробничої і наукової діяльності. З роками цей "інструмент" буде все більш удосконалитися, а разом з цим буде безперервно розширятися і область застосування лазерів.
Наростаючі темпи досліджень в області лазерної техніки відкривають можливості створення нових типів лазерів зі значно поліпшеними характеристиками, що дозволяють розширити області їх застосування в машино- і приладобудуванні. У цей час ми є свідками потужності випромінювання, що безперервно збільшується як твердотільних, так і газових лазерів, працюючих в постійному режимі, що розширює можливості
їх застосування при різних технологічних операціях: зварюванню деталей значно більших габаритів, різанню більш товстих листів з великими швидкостями, свердлуванню із збільшеними швидкостями отворів значних діаметрів і т. д. Відкриваються нові можливості в області зміцнення деталей машин і приладів, а також ріжучих інструментів. Подальші успіхи в цьому напрямі поки обмежуються виходом з ладу окремих оптичних елементів лазера дзеркал, вихідних вікон і інш. - через їх недостатньо високу променеву міцність. У області підвищення променевої міцності виробляються обширні дослідження. Одночасно відкриваються нові можливості застосування лазерів в технологічних операціях. Підвищення стабільності роботи лазерів дозволяє підняти на новий рівень виконання "тонких" операцій доведення, розмірної обробки локального характеру. Для цієї мети, мабуть, найбільш перспективні лазери, працюючі в імпульсному режимі, тривалість імпульсів випромінювання яких не перевершує декількох десятків наносекунд.