Устройство и принцип действия ОКГ

Светолучевая обработка – разновидность электрофизической обработки материалов – проводится с помощью светового луча, излучаемого оптическим квантовым генератором – лазером.

Оптическим квантовым генератором (ОКГ) называется прибор, обладающий способностью генерировать в определённых условиях непрерывные или импульсные световые лучи, характеризующиеся чрезвычайно высокой плотностью энергии и практически не расширяющиеся даже при значительной длине (когерентные).

Когерентным называется излучение с одной частотой, одним направлением и с одинаковыми фазами или постоянной разностью фаз.

Принцип действия ОКГ. Свет определённой длины волны, направленный на вещество, содержащее атомы, способные находиться на различных энергетических уровнях, возбуждает эти атомы, то есть передает им дополнительную энергию. Затем, после прекращения освещения, возбуждённые атомы, возвращаясь на исходный уровень, выделяют эту энергию в форме электромагнитного излучения определённой длины волны, обычно в пределах диапазона волн видимого света.

В определённых условиях, кроме генерации излучение ещё усиливается, что делает ОКГ источником излучения высокой удельной мощности.

Эффект возбуждения (стимулирования) излучения, его усиления и генерации возможен в различных материалах. Соответственно по роду материалов, используемых для получения индуцированного излучения, различают четыре типа ОКГ:

- на твёрдом теле с оптической накачкой;

- газовые;

- инжекционные, или полупроводниковые;

- жидкостные.

Разновидностью твёрдотельных лазеров с оптической накачкой являются волоконные, получившие распространение в последние годы. Наиболее широко для технологических целей используются твёрдотельные ОКГ.

В газовых лазерах рабочее тело состоит из сосуда с газом, помещённого в оптический резонатор. Накачка производится с помощью высоковольтных электрических разрядов, электроны, соударяясь с атомами газа, переводят их на возбуждённые энергетические уровни. К достоинствам газовых лазеров относятся дешевизна вещества рабочей среды, высокая энергетическая эффективность и возможность работы в непрерывном режиме.

В ОКГ на твёрдом теле активной средой (или, так называемым, рабочим телом) служит кристаллический или аморфный диэлектрик (минералы или стёкла). Основная масса этого диэлектрика (называемая «матрицей») непосредственного участия в процессах генерации излучения не принимает. Стимулированное излучение и генерация связаны с происходящими в матрице переходами активатора (содержащегося в ней в небольших количествах – от долей процента до нескольких процентов в качестве примеси).

В волоконном лазере активная среда и, возможно, резонатор являются элементами оптического волокна. При полностью волоконной реализации такой лазер называется цельноволоконным, при комбинированном использовании волоконных и других элементов в конструкции лазера он называется волоконно-дискретным или гибридным. Волоконные лазеры применяются в промышленности для резки металлов и маркировки продукции, сварке и микрообработке металлов, линиях волоконно-оптической связи. Их основными преимуществами являются высокое оптическое качество излучения, небольшие габариты и возможность встраивания в волоконные линии.

Существует большое разнообразие конструкций волоконных лазеров, обусловленное спецификой их применения. Во всех волоконных лазерах используются специальные типы оптических волокон, в которые встроены один или несколько волноводов для осуществления оптической накачки.

К преимуществам волоконных лазеров традиционно относят значительное отношение площади резонатора к его объёму, что обеспечивает качественное охлаждение, термостойкость кремния и небольшие размеры приборов в подобных классах требований по мощности и качеству. Лазерный луч, как правило, необходимо завести в оптическое волокно для последующего использования в технике. Для лазеров иной конструкции это требует специальных оптических систем коллимации[1] и делает устройства чувствительными к вибрациям. В волоконных лазерах генерация излучения происходит непосредственно в волокне, и оно имеет высокое оптическое качество. Недостатками данного типа лазеров являются опасность возникновения нелинейных эффектов из-за высокой плотности излучения в волокне и сравнительно небольшая выходная энергия в импульсе, обусловленная малым объёмом активного вещества.

Волоконные лазеры проигрывают традиционным твёрдотельным в сферах применения, где требуется высокая стабильность поляризации. Твёрдотельные лазеры не могут быть заменены волоконными в спектральном диапазоне (0,7–1,0)×10^–6 м. Они также имеют бóльшие возможности для наращивания выходной мощности импульса по сравнению с волоконными. Однако волоконные лазеры показывают хорошие результаты на длинах волн, где не существует достаточно хороших активных сред или зеркал для лазеров иных конструкций, и позволяют с меньшими сложностями реализовывать некоторые лазерные схемы.

Твёрдотельные лазеры обладают рядом существенных технических достоинств:

- способность создания на небольшой площади весьма высоких концентраций энергии;

- относительная простота фокусировки луча до пятна весьма малых размеров и возможность точной локализации этого пятна;

- способность генерировать кратковременные импульсы излучения;

- практически полная когерентность, высокая яркость и монохроматичность излучения;

- возможность работы в атмосфере любого состава, в вакууме, в инертных газах;

- меньшая сложность и более низкая стоимость по сравнению с электронно-лучевыми установками аналогичной эффективности;

- отсутствие вторичного рентгеновского излучения;

- возможность автоматизации обработки материалов лучом и отсутствие какого-либо обрабатывающего инструмента при выполнении технологических операций и др.

Недостатки современных твёрдотельных ОКГ:

- низкий КПД и низкая общая мощность излучения;

- сложность формирования импульсов большой длительности (выше 10^–3 с);

- зависимость параметров излучения (частота, длительность импульса) от внешних условий;

- недостаточная воспроизводимость заданного режима;

- затруднительность повышения частоты следования импульсов.

Из кристаллических материалов в качестве матрицы для лазеров видимого оптического диапазона наибольшее распространение получил синтетический рубин (плавленая окись алюминия) с добавкой 0,04–0,05% атомов трёхвалентного хрома или стекло с содержанием до 5% неодима (неодимовое стекло). Материалом матрицы также могут служить кристаллы щёлочно-земельных фторидов, вольфраматов или молибдатов; иттрий-алюминиевые гранаты (минералы типа V₃M₅O₁₂, где металл это – Fe, Al, Gd); корунд (А1₂О₃); стёкла различных составов (К–Ва–Si; Li–Ва–Th–В; Na–Ca–Si; Li–Mg–Al–Si; Vb–Na–K–Ba–Si и др.). Активирующими примесями являются различные редкоземельные элементы (например, неодим Nd), хром, уран. Им придают форму цилиндрического стержня или прямоугольной призмы.

Торцы активных элементов часто делают отражающими (покрывают полупрозрачными металлическими или многослойными диэлектрическими плёнками), превращая таким образом активный элемент в резонаторную систему, в которой и возникает и усиливается луч, испускаемый ОКГ.

На рис. 10.1 схематически показано устройство твёрдотельного ОКГ. Активный элемент 3 помещён внутрь отражающей свет камеры (рефлектора) 2, в которой размещена также импульсная газоразрядная лампа 5. При разрядке заряженной до высокого напряжения от блока питания 7 батареи конденсаторов 6 на импульсную лампу 5 вспышка последней возбуждает активный элемент 3. Возникший в нём луч света усиливается, многократно отразившись от непрозрачного зеркала 1 и полупрозрачного зеркала 4. Усиленный таким образом световой луч выходит из полупрозрачного зеркала наружу в узконаправленном виде.

Рис. 10.1. Устройство твёрдотельного лазера (принципиальная схема)

Концентрация излучения на обрабатываемой поверхности может производиться с помощью сферической и цилиндрической оптики. В первом случае излучение фокусируется в точку, образуя круглые отверстия в обрабатываемом материале; во втором – в линию, длина которой (так называемое «режущее лезвие») определяется поперечным сечением луча генератора.

Мощность и характер излучения лазера в значительной степени определяются мощностью и характером излучения импульсной лампы (лампы накачки) и режимом эксплуатации установки. Кроме импульсных ламп известно применение и других источников накачки: взрываемые разрядом проволочки, электрический разрядник, другой лазер, химическая реакция, взрывчатые вещества, тепловой удар, плазменная дуга и др. Тип используемого устройства накачки напрямую зависит от используемого рабочего тела, а также определяет способ подвода энергии к системе.

Энергия разрядных импульсов, создаваемых батареей конденсаторов, может находиться в любых пределах. Обычно она составляет 10³–10⁵ Дж.

Длительность импульса твёрдотельных ОКГ зависит от ряда факторов, в том числе от индуктивности, включаемой в цепь конденсаторной батареи. Обычно она колеблется в пределах (0,1–10)×10^–3 с.

Частота повторения импульсов у твёрдотельных ОКГ зависит в основном от условий охлаждения и выносливости импульсной лампы. Она изменяется в широких пределах, доходя до 600 импульсов в минуту.

Современные твёрдотельные ОКГ могут генерировать излучение, обладающее энергией от сотых долей до сотен джоулей. Максимальные мощности, соответствующие этим значениям энергии, находятся в пределах от киловатт до мегаватт.

Пиковая мощность импульсов излучения, получаемых от синтетических рубинов, зависит от подводимой мощности светового импульса и может достигать больших величин (до 1 МВтпри длительности 10×10^–9 с). Энергия излучения лазеров промышленного типа до 1 МДж. КПД твёрдотельных лазеров невелик, составляет 0,1–3%, так как значительная часть энергии, подводимой к лампе накачки, превращается в тепло, и лишь голубая и зелёная части светового излучения поглощаются активным телом ОКГ.

В среднем при помощи лазера с энергией 1 Дж ([2]) можно получить при фокусировке на мишени плотность тепловой энергии около 45×10⁹ Кал/см².Для сравнения, плотность солнечной энергии в том же диапазоне волн не превышает 10^–5 Вт/см².

Интенсивность излучения ОКГ в процессе его эксплуатации изменяется и зависит от ряда факторов, главным образом от характера импульса накачки. Изменение интенсивности в течение длительности импульса проявляется в том, что в различные моменты времени луч имеет различную плотность энергии. Она обусловлена физическими процессами, происходящими в активном элементе, и тем, что генерируемое излучение состоит из отдельных последовательных импульсов («пичков»), следующих на протяжении импульса с различной частотой. «Пиковый» характер генерации – одна из основных причин неоднородности излучения во времени.

В процессе работы ОКГ его активные элементы, зеркала резонатора, фокусирующие линзы, лампы накачки, рефлекторы изменяют свойства и характеристики под действием светового и теплового излучения, механических деформаций – стареют. Для правильной эксплуатации ОКГ необходим учёт всех изменений их функций в результате старения.