Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Оптические квантовые генераторы (лазеры) являются мощными источниками когерентного светового излучения. При исследовании воздействия на металлы основной интерес представляют такие характеристики излучения лазеров, как энергия светового импульса, его длительность, распределение энергии в импульсе, средняя мощность излучения (для импульсных лазеров и лазеров непрерывного действия), длина волны излучения, распределение энергии по сечению светового пучка, когерентность.
Ниже будут рассмотрены некоторые характеристики и конструктивные особенности современных лазеров. Общим для всех типов лазеров является наличие рабочего вещества с инверсной населенностью, т. е. в таком состоянии, когда число атомов на уровне с более высокой энергией больше числа атомов на уровне с меньшей энергией. При этом условии возможно получение вынужденного излучения, когда атомы излучают под действием внешнего быстропеременного электромагнитного поля, и усиление света.
Рабочее вещество помещают между зеркалами, которые осуществляют обратную связь, при этом часть излучаемой световой энергии остается внутри рабочего вещества, вызывая вынужденное излучение света все новыми атомами. Одно из зеркал полупрозрачно, усиление, даваемое рабочим веществом (т. е. число возбужденных атомов и молекул), должно быть больше порогового значения, зависящего от коэффициента отражения полупрозрачного зеркала.
Рабочее вещество лазера может быть твердым, жидким и газообразным. Наибольшее количество результатов при изучении воздействия на материалы получено с использованием лазеров, в которых в качестве рабочего материала применялись кристаллы рубина (активное вещество — ионы хрома) и стекло (с примесью активного вещества — ионов неодима).
Лазеры на твердом теле. Рубиновый лазер состоит из рубинового стержня, помещенного между непрозрачным и полупрозрачным зеркалами. Лампы-вспышки, осуществляющие оптическую накачку лазера, размещаются вдоль рубинового стержня (применяют также спиральные лампы, окружающие стержень). Рубиновый стержень и лампы окружаются отражающим кожухом для лучшего использования света ламп. Генерация света развивается в пространстве между зеркалами (резонаторе). Длина волны излучения 6943 А (красный свет). Энергия лампы-вспышки тратится не только на излучение лазера, но и на нагрев кристалла, ухудшающий условия генерации. Поэтому в конструкциях лазеров часто предусматривается охлаждение кристалла (сжатым воздухом, проточной водой, жидким азотом).
Описанный лазер может выдавать импульсы разной длительности с различным распределением энергии в импульсе. Наиболее распространен режим свободной генерации, при котором процессы происходят в следующей последовательности. Лампа-вспышка выдает импульс света длительностью 10в-3 сек, создающий инверсную населенность в кристалле рубина и условия для генерации света в резонаторе. Через некоторый интервал времени после начала оптической накачки, необходимый для создания инверсии населенности, начинается генерация, которая длится до тех пор, пока интенсивность света лампы-вспышки не станет меньше величины, необходимой для поддержания генерации.
Импульс лазера, работающего в режиме свободной генерации, имеет сложную временную структуру. Он состоит из большого числа (50/100) отдельных импульсов (пичков), длительностью 10в-6 сек. Интервал между пичками составляет 3*10в-6—10в-5 сек. С помощью изменения формы зеркал резонатора можно добиться перехода от хаотического распределения пичков во времени к их регулярному распределению и даже к получению гладкого (беспичкового) импульса, когда энергия за время импульса выделяется равномерно.
Ниже будет рассмотрено влияние формы импульса на эффекты изменения структуры облучаемого материала.
Энергия импульса для современных лазеров рассмотренного типа может достигать 10в4 дж (мощность 10в4 вт), частота повторения импульсов (при меньших энергиях) может достигать десятков гц.
Использование стекла, активированного ионами неодима (длина волны излучения 10 600 A=1,06 мк — невидимый инфракрасный свет), позволяет получать рабочее тело любой формы, что важно для ряда технологических применений.
При свободной генерации в возбужденном состоянии находится лишь небольшая часть атомов хрома. Повышение мощности излучения на несколько порядков можно получить, если добиться перекачки всех атомов хрома в рубине в возбужденное состояние. Для этого на некоторое время необходимо убрать из системы обратную связь (т. е. отключить зеркала, устранив тем самым возможность генерации), а после этого перевести атомы хрома в возбужденное состояние, в котором они будут находиться в течение 2*10в-3 сек (за это время нужно вновь включить зеркала).
Разработано несколько конструкций затворов для практического осуществления этого эффекта и получения импульсов лазера с модулированной добротностью резонатора или гигантских импульсов.
Метод вращающейся призмы состоит в том, что вместо непрозрачного зеркала устанавливается призма, вращающаяся с большой скоростью. При произвольном положении призмы обратная связь в лазере отсутствует, и призма действует как зеркало лишь в течение очень короткого времени, когда она находится в отражающем положении.
Затвор в виде ячейки Керра состоит из стеклянной кюветы, заполненной нитробензолом, помещенной между обкладками конденсатора, и поляроида. Под действием электрического поля нитробензол приобретает способность изменять направление поляризации света. Если поляроид находится в таком положении, что он не пропускает поляризованный свет рубинового лазера, обратная связь отсутствует. Включение ячейки Керра поворачивает плоскость поляризации и приводит к пропусканию света, т. е. включению обратной связи. Тот же принцип используется в ячейке Поккельса, где вместо жидкости применяется анизотропный кристалл.
Насыщающиеся жидкостные затворы основаны на том, что прозрачность некоторых жидкостей возрастает с увеличением интенсивности света, т. е. обратная связь в резонаторе, содержащем кювету с такой жидкостью, возникает лишь при достижении определенного уровня накачки.
Использование таких затворов позволяет получать гигантские импульсы длительностью 10в-8—10в-9 сек с энергиями до 100 дж (т. е. мощностью до 10в11 вт), что значительно превышает мгновенную мощность наиболее крупных электростанций.
Действие таких импульсов на материалы, как показано ниже, имеет ряд принципиальных отличий от действия световых импульсов лазера в режиме свободной генерации. Возможно также получение сверхкоротких импульсов длительностью до 10в-12 сек путем выделения части гигантского импульса, состоящего из отдельных пичков и его последующего усиления.
Использование в качестве рабочего материала кристаллов флюорита кальция, активированных диспрозием, позволяет получить непрерывную генерацию, а также гигантские импульсы с высокой частотой повторения (до нескольких кгц). Кроме рассмотренных выше, известны еще десятки твердых веществ, которые могут быть рабочими материалами для лазеров.
Газовые лазеры. Применение газов в качестве рабочих веществ в лазерах не меняет механизма генерации когерентного света. Особенности газовых лазеров связаны с выбором газа и способом создания инверсии населенностей (обычно путем электрического разряда). Газовый лазер состоит из газоразрядной трубки, на концах которой расположены непрозрачное и полупрозрачное зеркала, образующие резонатор. Плотность газа мала по сравнению с плотностью твердого тела и поэтому для получения больших мощностей лазер должен иметь размеры, достигающие нескольких десятков метров.
Наиболее мощными являются лазеры на углекислом газе. В этих (молекулярных) лазерах используется то, что молекулы, в отличие от атомов, имеют помимо электронных также колебательные и вращательные энергетические уровни. Применение смесей CO2 с молекулярным азотом и гелием позволяет повысить мощность непрерывного излучения до нескольких киловатт.
Периодическое выключение обратной связи и получение гигантских импульсов производится путем помещения между зеркалами вращающейся призмы из NaCl. Мощность одного импульса при этом может достигать 100 квт.
Для повышения мощности применяют циркуляцию газовой смеси и возбуждение газового разряда постоянным током или током промышленной частоты.
Лазер на углекислом газе генерирует свет с длиной волны 10,6 мк (невидимый инфракрасный), но возможна генерация и других длин волн. Отметим, что свет с такой длиной волны не удается фокусировать обычными стеклянными линзами. Для обработки материалов могут применяться также газоразрядные лазеры на ионах аргона, генерирующие свет в синей, зеленой и желтой областях спектра, на молекулах азота, молекулах воды и т. д.
В химических газовых лазерах инверсная населенность создается за счет быстротекущих химических реакций (фотодиссоциация молекул, взрыв, реакции во встречных пучках атомов и молекул). Существуют также газовые лазеры с оптической накачкой, например на парах цезия.
В жидкостных лазерах рабочим материалом служат неорганические жидкости (оксихлорид фосфора и галогениды металлов, оксихлорид селена с четыреххлористым оловом, содержащие в растворе неодим). Органические красители (пиронин, родамины, трипафлавин и т. д.) возбуждаются светом лазера или импульсных ламп и позволяют получить генерацию света с плавно перестраиваемой частотой.
Разработаны также полупроводниковые лазеры, в которых для создания инверсной населенности использованы особенности уровней энергии в полупроводниках, позволяющие получить вырождение электронов и дырок, т. е. такое состояние, когда все уровни вблизи «дна» зоны проводимости заняты электронами, а уровни у «потолка» валентной зоны — дырками. Существуют лазеры на электронно-дырочном (р—n) переходе (инжекционные лазеры), такие лазеры имеют очень малые размеры (для лазера на арсениде галлия толщина излучающегося слоя 2 мк, длина излучающей части 1 мм, удельная мощность до 100 квт/см2);
Большая расходимость светового луча и меньшая монохроматичность затрудняют использование инжекционных полупроводниковых лазеров для обработки материалов. Улучшение направленности и монохроматичности излучения и повышение мощности до сотен киловатт можно получить, применяя возбуждение быстрыми электронами и используя резонатор с внешними зеркалами. Увеличение мощности в этом случае связано с тем, что излучающий слой кристалла соответствует глубине проникновения электронов в сотни раз большей, чем толщина р—n-перехода. Существуют также полупроводниковые лазеры с оптической накачкой и прямым электрическим возбуждением.
Итак, лазеры на твердом теле обладают рядом преимуществ. Основным из них является высокая концентрация активных частиц и, следовательно, возможность получения больших энергий с единицы объема рабочего вещества. Основной недостаток этих лазеров состоит в трудности изготовления и дороговизне больших активных элементов (например, кристаллов рубина длиной в несколько десятков сантиметров), в трудности получения оптической однородности по объему, в изготовлении торцевых поверхностей высокого класса чистоты.
При больших удельных мощностях происходит нагрев и разрушение активных элементов. В результате лазеры на твердом теле дают наибольшие энергии и мощности в импульсном режиме при ограниченной средней мощности, сравнительно небольшом сроке службы активных элементов и сравнительно большой расходимости луча.
Газы, применяемые в качестве рабочих веществ, обладают высокой оптической однородностью, поэтому длина газовых лазеров может составлять десятки метров при диаметре в десятки сантиметров, но плотность активных частиц и, следовательно, энергия, получаемая с единицы объема, сравнительно мала.
Газовые лазеры обеспечивают наибольшую среднюю энергию непрерывной генерации и малую угловую расходимость луча.
Важным недостатком излучения большинства существующих лазеров, применяемых для обработки материалов, является его неоднородность по сечению. Так, для рубинового лазера даже при идеальном кристалле интенсивность излучения торца должна закономерно меняться от центра к периферии. В реальных кристаллах в силу неравномерности распределения ионов хрома и оптических дефектов излучение происходит в виде нитей, неравномерно распределенных по торцу кристалла. Эта особенность излучения лазеров сильно затрудняет прецизионную обработку материалов, требующую точной фокусировки луча и равномерной интенсивности в облучаемом пятне.