Лазеры. Технологические основы лазерной обработки.
1. ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ (ЛАЗЕРЫ)
1.1. Устройство и работа лазерных установок
Принцип работы оптического квантового генератора (ОКГ) основан на генерировании монохроматических волн оптического диапазона под действием индуцированного излучения.
Согласно законам квантовой механики энергия относительного движения какой бы то ни было системы связанных частиц не может быть произвольной, а принимает строго определенный ряд значений, которые называют уровнями энергии Е0, Е1, Е2 и т. д. Все возможные значения энергии называют энергетическим спектром системы.
При термодинамическом равновесии нахождение атомов по различным энергетическим уровням подчиняется закону Больцмана
N2 / N1 = e-(E2-E1)/kT, (1.1)
где N1, N2 и E1, E2 — соответственно количество и энергия атомов на уровнях 1 и 2; k — постоянная Больцмана; Т — температура, К.
Числа N1, N2, ..., Nn называют населенностями уровней энергии. Например, если на уровне 2 энергия больше, то населенность этого уровня ниже при любой допустимой температуре данной системы. Энергетическое состояние частицы может изменяться при ее взаимодействии с электромагнитным полем или другими частицами. Тогда при переходе с высокого уровня энергии Еп на нижний Еm частицы излучают электромагнитные волны, частота v которых определяется по формуле
v = (En - Em)/h, (1.2)
где h — постоянная Планка, h = 6,62*10-34 Дж*с.
В случае перехода на более высокие энергетические уровни частицы могут поглощать электромагнитные волны этой же частоты.
Электромагнитные волны любой частоты (и свет тоже) есть поток отдельных порций энергии — квантов или фотонов, энергия которых равна hv. Следовательно, формула (1.2) выражает закон сохранения энергии. Переходы между состояниями микрочастиц происходят только при взаимодействии с фотонами резонансной частоты vnm, когда hvnm = En – Em.
Согласно квантовой теории Эйнштейна процесс взаимодействия электромагнитных волн с веществом состоит из актов поглощения фотона, а также его спонтанного или индуцированного излучения* При нахождении микрочастицы в возбужденном состоянии ее энергия выше минимально допустимого значения Е0 Такое состояние долго сохраняться не может, и возбужденная частица через некоторое время перейдет в состояние с меньшей энергией, испустив при этом переходе фотон. Такой переход называют самопроизвольным, или спонтанным, излучением. Все источники света (нагретые тела, плазма газовых разрядов) дают спонтанно излучаемый свет.
По-другому идет процесс индуцированного излучения. При возбуждении частица пребывает под воздействием внешних электромагнитных волн резонансной частоты и может перейти в состояние с меньшей энергией* При этом она испускает квант, имеющий такую же частоту, поляризацию и направление движения, как у воздействующих на нее электромагнитных волн. Фаза появляющихся при индуцированных переходах электромагнитных волн согласована с фазой внешних волн.
В любой находящейся в термодинамическом равновесии колонии частиц населенность на более высоких уровнях энергии меньше, чем на нижних уровнях. Поэтому процессы поглощения квантов происходят чаще, чем индуцированное излучение. Электромагнитные волны резонансной частоты, взаимодействуя с такими частицами, рассеивают свою энергию и прекращают свое существование.
Для того чтобы индуцированное излучение преобладало над поглощением, необходимо за счет внешних сил вывести систему из состояния равновесия. В этом случае за счет внешнего источника энергии создается более высокая населенность одного из возбужденных состояний, по сравнению с населенностью хотя бы одного из состояний с меньшей энергией, благодаря чему создается инверсная населенность в системе микрочастиц. Только в этом случае среда, состоящая из таких частиц, становится активной и способной усиливать волны резонансной частоты. Явление индуцированного излучения среды используется в любом ОКТ, поддерживаемом в состоянии с инверсной населенностью уровней за счет энергии воздействия стороннего источника.
Рис. 1.1 Принципиальная схема лаезера с рубиновым стержнем.
Принцип работы лазера с рубиновым стержнем показан на рис. 1.1. Синтетический рубиновый стержень - это плавленый оксид алюминия с добавкой (0,04-0,05 %) атомов трехвалентного хрома. На атомы хрома, находящиеся в состоянии покоя на нижнем энергетическом уровне, воздействуют испускаемыми импульсной лампой фотонами. В результате атомы хрома возбуждаются и переходят на более высокий энергетический уровень.
При изготовлении лазеров подбирают вещества, атомы которых переходят из возбужденного состояния в основное через промежуточное, метастабилъное, состояние. При переходе из метастабильного состояния в основное длина волны излучаемого света равна длине волны света, благодаря действию которого этот переход стал возможен. В оптических квантовых генераторах достаточно лишь одному атому перейти из метастабильного состояния в основное и испустить хотя бы один фотон - и произойдет переход других атомов.
Процесс излучения света лазером протекает в два этапа, как показано на энергетической диаграмме (рис. 1.2): горизонтальные линии отражают энергетические уровни системы, а стрелки указывают на возможные переходы между ними.
При воздействии на находящиеся в метастабильном состоянии атомы квантами световой энергии, при их частоте, равной частоте перехода из метастабильного состояния в основное, атомы тут же переходят в основное состояние, результатом чего является излучение световой энергии.
Таким образом, метастабильное состояние атомов является определяющим в работе лазера. Перевод атомов в метастабильное состояние становится возможным при помощи подсветки разрядной трубки и представляет собой процесс населения метастабильного уровня.
Рис. 1.2. Энергетическая диаграмма системы частиц
В результате вспышки в разрядной трубке, питаемой от источника тока, возбуждается активный элемент лазера - рубиновый стержень. Возникший в нем луч многократно усиливается и выходит через поверхность, частично отражающую свет, в виде когерентного светового излучения. Когерентным называют излучение, характеризующееся одной частотой, одинаковыми фазами, одним направлением.
1.2. Типы квантовых генераторов
Оптические квантовые генераторы имеют много общего и независимо от конструктивного исполнения они включают следующие элементы:
1) рабочее тело, состоящее из набора атомов или молекул, для которых может быть создана инверсия населенностей;
2) систему, дающую возможность осуществлять инверсию. Обычно ее называют системой накачки;
3) оптический резонатор;
4) блок для вывода энергии из резонатора;
5) блок управления концентрацией энергии и геометрическим положением направленного луча света;
6) специальные системы регулирования и управления, связанные с конкретной конструкцией и применением лазеров.
С целью инверсии населенности в лазерах используют различные виды накачки:
• оптическую - путем облучения вещества мощным световым потоком;
• электрическую - путем прохождения через вещество электрического тока;
Рис. 1.3. Принципиальная схема твердотельного лазера: 1, 3 - зеркала; 2 — стержень; 4 - кожух; 5 - источник напряжения; 6 - лампа-вспышка
• химическую, в случае когда инверсия появляется в результате химической реакции, причем в ней принимает участие и рабочее вещество, и т. д.
Для ОКТ предусматривается режим работы - непрерывный и импульсно-периодический.
В настоящее время лазеры по роду материалов, применяемых для получения индуцированного излучения, подразделяют на четыре типа: твердотельные с оптическим возбуtitle="" alt=""ждением, полупроводниковые (инtitle="" alt=""жекционные), жидкостные и газовые (рис. 1.3).
Лазеры твердотельные с оптической накачкой.
В лазерах с данным излучателем активным элементом является твердое тело. В таких лазерах основная масса диэлектрика (матрица) конкретного участия в генерации индуцированного излучения не принимает. Излучение и генерация частиц связаны с происходящими в матрице переходами атомов активатора, содержащегося в ней в количестве 0,01-10 %.
Матрица состоит из кристаллов щелочно-земельных фторидов, вольфраматов или молибдатов, синтетического рубина, иттриево-алюминиевых гранатов, стекла различных составов. В качестве стимулирующих добавок активаторов применяются различные редкоземельные элементы, хром и уран.
Схема твердотельного оптического квантового генератора с рубиновым стержнем представлена на рис. 1.3. Активный элемент 2, изготовленный из рабочего вещества, устанавливают между зеркалами 1, 3. Зеркало 1 полностью отражает все направленные на него лучи, а зеркало 3 является полупрозрачным. Для накачки энергии применяют газоразрядную лампу-вспышку 6, которая для большего облучения кристалла находится вместе с ним внутри отражающего кожуха 4, выполненного в форме эллипса. При размещении лампы и кристалла в фокусах эллипса создаются оптимальные условия равномерного освещения активного элемента. Лампа-вспышка питается от импульсного источника 5 высокого напряжения.
Во время нагрева рабочего тела изменяются энергетические уровни активных атомов, и по достижении предельной температуры генерация когерентного излучения останавливается. Перегрев стержня приводит к возникновению в нем термических напряжений, в результате чего может произойти его разрушение. По этой причине в большинстве конструкций твердотельных ОКГ при проектировании предусматривают охлаждение рабочего тела разными вариантами: воздухом, водой или жидким азотом. Излучение лампы-вспышки активизирует атомы оптического резонатора, которые возбуждаются и затем при переходе на более низкие энергетические уровни генерируют собственное излучение.
Время действия импульса твердотельных лазеров зависит от индуктивности в цепи конденсаторной батареи и может колебаться от 0,1 до 10 мс. Повторение импульсов зависит от условий охлаждения и характеристик импульсной лампы. В лазерах последних модификаций частота доходит до 600 импульсов в минуту.
Величина энергии излучения современными твердотельными лазерами находится в пределах от сотых долей до сотен джоулей и более.
У твердотельных лазеров КПД невысок, так как большая часть подводимой к лампе накачки энергии тратится на тепло.
Излучение лазеров на поверхность обрабатываемого изделия фокусируется с помощью сферической, цилиндрической и других специальных оптических систем. В первом случае луч фокусируется в точку, во втором - в линию, размеры которой зависят от поперечного сечения луча генератора, в других - в группу параллельных линий, окружность и др.
Твердотельные полупроводниковые лазеры.
В лазерах данного типа в качестве излучающего свет вещества используется полупроводниковый элемент.
В полупроводниковых лазерах возбуждение осуществляется при инжекции носителей заряда через p-n-переход, поэтому их называют инжекционными. Лазером такого типа является полупроводниковый квантовый генератор на p-n-переходе в арсениде галлия (рис. 1.4). Акцепторными добавками в арсениде галлия служат цинк, кадмий, индий и др., донорными примесями - теллур, селен и др.
Рис. 1.4. Принципиальная схема твердотельного полупроводникового лазера: 1 - электрод; 2 - контакт; 3 – проводник p-типа; 4 - p-n-переход; 5 - проводник n-типа; 6 - теплоотводящие пластины
Кристалл инжекционного лазера (рис. 1.4) имеет размеры 0,51 мм2. Электрод 1 присоединяется к контакту 2, верхняя часть 3 является проводником р-типа, нижняя часть 5 - проводником n-типа. Между ними имеется p-n-переход 4, толщиной 0,1 мкм. Из-за проникновения электронов и дырок через p-n-переход в глубь кристалла толщина излучающего слоя - 1-2 мкм.
В твердотельных полупроводниковых лазерах передняя и задняя грани служат зеркалами и получаются скалыванием кристалла относительно определенной кристаллографической оси. Боковые же грани этих установок делают скошенными с целью недопущения возникновения колебаний в перпендикулярном направлении. Электрическое поле с помощью специальных электродов, соединенных с теплоотводящими пластинами 6, прикладывается перпендикулярно направлению p-n-перехода.
Твердотельные полупроводниковые инжекционные лазеры отличаются высоким КПД преобразования электрической энергии в когерентное излучение (до 100 %) и могут работать в непрерывном режиме даже при комнатной температуре. В полупроводниковых лазерах, работающих при охлаждении жидким азотом, достигается мощность 100 Вт, а при охлаждении жидким гелием - до 10 Вт.
Главным недостатком полупроводниковых лазеров считается малая направленность излучения и трудность получения высокой монохроматичности.
Жидкостные лазеры разработаны на основе растворов редкоземельных ионов в некоторых неорганических жидкостях. В лазерах непрерывного и импульсного действия в качестве активной среды используются также растворы органических красителей. Главное преимущество жидкостных лазеров - возможность циркуляции жидкости с целью ее охлаждения, что обеспечивает получение больших энергий и мощностей излучения в импульсном и непрерывном режимах.
В жидкостных лазерах в резонатор вместо стеклянного стержня устанавливают кювету с раствором. Инверсия населенности происходит за счет накачки от импульсных ламп; КПД преобразования энергии оптической накачки в энергию генерации достигает 50 %.
Лазеры, работающие на неорганических активных жидкостях, характеризуются большими импульсными энергиями при средней мощности и генерируют излучение с узким спектром частот. Широкие спектральные линии люминесценции органических красителей дают возможность изготавливать лазеры с непрерывной перестройкой длин волн излучения в диапазоне до нескольких сотен ангстрем. Заменяя органические красители, можно добиться перекрытия всего видимого и части инфракрасного участков спектров.
Газовые лазеры. Устройство лазеров данной конструкции существенно проще рассмотренных выше. Стеклянную трубку наполняют специальной активной газовой смесью, атомы или молекулы которой могут определенное время находиться в метастабильном состоянии: аргон, неон, криптон, ксенон, смеси гелия и неона, углекислый газ с добавкой азота и др. В ее торцы впаивают два электрода и к ним подводят напряжение от источника питания. В трубке возникает газовый разряд. Меньшая плотность и более высокая однородность газов, по сравнению с твердыми телами и жидкостями, не вызывают искажения светового луча, его рассеяния и потерь энергии. По этой причине направленность лазерного излучения в газах существенно увеличивается, достигая предела, обусловленного дифракцией.
Газовые лазеры подразделяют на три группы: лазеры на атомных, ионных и молекулярных переходах.
Гелиево-неоновый лазер - один из вариантов атомного лазера (рис. 1.5). Рабочим веществом этого лазера являются нейтральные атомы неона, а атомы гелия вводят для передачи энергии возбуждения. В процессе этой передачи атомы неона возбуждаются, а атомы гелия возвращаются в основное состояние. Разрядная трубка 1 лазера заполняется гелием и неоном с парциальными давлениями соответственно 133 и 13 Па. От источника питания 4 в трубке создается высоковольтный электрический разряд 2, который возбуждает атомы гелия и неона вследствие соударений с электронами. Излучение направляется через полупрозрачное зеркало 3, к обрабатываемому изделию. Гелиево-неоновый лазер имеет малую мощность, но простота устройства, надежность и высокие параметры излучения обеспечили ему широкое применение.
В конструкциях ионных газовых лазерах используются переходы между энергетическими уровнями ионов следующих газов: ксенона, аргона, неона, криптона - и фосфора, серы и хлора.
«Классический» представитель данной группы лазеров - аргоновый лазер. По схемному решению он похож на гелиево-неоновый лазер. Мощность лазеров данной группы выше, чем лазеров на атомных переходах. Так, газовый лазер на аргоне генерирует излучение мощностью до 150-500 Вт в непрерывном режиме.
Газовые лазеры, характеризующиеся наиболее высокой мощностью и КПД, генерируют колебания на молекулярных переходах. К ним относятся лазеры, работающие на углекислом газе (рис. 1.5, б). Электрический разряд возбуждается в охлаждаемой стеклянной газоразрядной трубке 1 между электродами 2 с помощью высоковольтного источника питания 3. Излучение выводится через окно 4, выполненное из материала, пропускающего инфракрасные лучи, например из кристаллов КВг, NaCl или Ge.
Рис. 1.5. Схемы газовых лазеров: а - гелиево-неонового; б - углекислотного; в -газодинамического
В газоразрядных лазерах инверсия населенностей обеспечивается благодаря возбуждению молекул электронным ударом и резонансной передачей энергии возбуждения. Для передачи энергии возбуждения в состав газа вводят молекулы азота N2, которые сами возбуждаются электронным ударом. В режиме тлеющего разряда, как правило, до 90 % молекул азота переходят в возбужденное состояние. Азот активно накапливает энергию возбуждения и в процессе неупругих столкновений без препятствий передает ее молекулам С02. Высокая инверсия населенностей обеспечивается введением в рабочую смесь гелия Не. Он облегчает условия возникновения разряда и способствует опустошению нижних лазерных уровней молекулы углекислого газа.
Самыми эффективными лазерами на С02 являются системы с поперечной продувкой газа. В них проводят интенсивную прокачку газа через объем резонатора с охлаждением его в теплообменнике. Электрический разряд возбуждается между анодной плитой и секционированным катодом. В качестве рабочего газа применяется смесь C02-N2-He. Расход газовой смеси через разрядную камеру составляет 2-3 м3/с. Оптические квантовые генераторы данного типа обеспечивают съем мощности до 16 Вт с 1 см3 газа. Лазеры с поперечной прокачкой газа работают в непрерывном режиме генерации.
Особенностью газодинамических лазеров является создание быстрых потоков газовых масс. Инверсия населенностей в них происходит при резком охлаждении нагретой рабочей смеси путем адиабатического расширения газа. Нагревание газа обеспечивает молекулам переход на верхние уровни. При этом сохраняется распределение по энергетическим уровням с большим населением нижних уровней по сравнению с верхними.
В камеру сгорания (рис. 1.5, в) 2 подается топливо 1. Продукты сгорания (С02) в смеси с азотом и гелием выходят через сверхзвуковое сопло 3 в виде расширяющего потока газа 4. Для получения лазерного излучения используется резонатор в виде двух зеркал 5. Резонатор расположен так, что его ось перпендикулярна вектору скорости потока газа. Мощность лазерного излучения определяется плотностью, скоростью и температурой газа на выходе из сопла.
При охлаждении газа молекулы должны перейти на нижние уровни. Скорость их перехода связана с временем жизни на том или ином уровне. Так как время жизни верхнего лазерного уровня молекулы С02 гораздо больше времени жизни нижнего, то расселение нижнего уровня идет с большей скоростью. Адиабатическое расширение газа в сопле сменяется его резким охлаждением на выходе из сопла. В связи с этим в различных областях газовой среды будет иметь место различное расселение молекул по энергетическим уровням. Так, в прилегающей к соплу зоне еще будет преобладать населенность нижнего уровня, но на некотором расстоянии от сопла нижние уровни будут опустошаться быстрее верхних, и в этой зоне будет наблюдаться инверсия населенностей.
1.3. Технологические основы лазерной обработки
Генераторы когерентного светового излучения - это газовые и твердотельные лазеры, которые обладают мощностью непрерывного излучения до сотен киловатт и энергией импульса до нескольких сотен джоулей. Такие генераторы имеют ряд недостатков: массивны, потребляют большую мощность, сложны в изготовлении и эксплуатации. В то же время они имеют ряд технологических преимуществ, которые определяют их широкое применение: возможность передачи энергии световым лучом на расстояние в любой оптически прозрачной среде; отсутствие физического контакта между источником энергии и обрабатываемым изделием; наличие высокой концентрации энергии в зоне обработки; возможность плавной регулировки мощности лучистого потока фокусировкой луча; возможность получения импульсов энергии малой длительности (до 10-9 с) и непрерывного его излучения перемещением с высокой точностью и скоростью с применением систем развертки при неподвижном положении детали.
Отличительной особенностью лазерной обработки является интенсивный локальный разогрев обрабатываемого материала.
Технологический процесс лазерной обработки делится на ряд стадий: поглощение световой энергии твердым телом; нагрев материала без разрушения, в том числе плавление; разрушение материала путем испарения и выброса его расплавленной части; остывание по окончании обработки.
В состав лазерной технологической установки, согласно ее назначению, кроме лазера может входить целый ряд специфических блоков и устройств. Структурная схема промышленной лазерной установки показана на рис. 1.6.
Рис. 1.6. Структурная схема промышленной лазерной установки: 1 — зарядное устройство; 2 — емкостный накопитель; 3 — лазерная головка; 4 — система охлаждения; 5 — датчик энергии излучения; 6 — оптическая система; 7 — изделие; 8 — предметный столик; 9 — система программного управления; 10 — система стабилизации энергии излучения; 11 — система управления; 12 - блок поджига
В реальных установках в зависимости от технологических требований могут исключаться или совмещаться отдельные блоки, устройства и узлы.
Лазеры большой мощностью часто применяются в технологических процессах сварки, закалки, резки и сверления различных материалов без возникновения в них механических напряжений и с очень высокой точностью. Лазерами можно обрабатывать материалы любой твердости; металлы, алмазы, рубины.
Газолазерная резка предусматривает разделение материала под воздействием выделяющейся в нем теплоты с поддувом в зону резки газа. Поддув удаляет продукты разрушения металла. Данный способ резки особенно эффективен при обработке дорогих металлов и сплавов, так как дает минимальные отходы. Он широко применяется в электронной и микроэлектронной промышленности при производстве полупроводников и интегральных схем. Лазерная резка успешно применяется в легкой промышленности; раскрой тканей, кожи и другие операции. Освоены технологические процессы лазерного изготовления глухих и сквозных отверстий при производстве алмазных фильер, рубиновых часовых камней и других элементов.
Лазерная сварка оказалась наиболее эффективна в микроэлектронике. Она не заменима при соединении плоских выводов с монтажом печатных плат. Лазерной сваркой осуществляют герметизацию металлических корпусов интегральных схем. Кратковременность нагрева и высокая локальность при ее использовании позволяют понизить температуру в очень чувствительных к нагреву элементах интегральных схем.
Лазерной сваркой можно соединять металлы с различными свойствами, и даже с неметаллами. Она с успехом может применяться для сварки крупногабаритных деталей и узлов.
Нагревание лазерным лучом применяют для закалки и поверхностного упрочнения («залечивание» микродефектов оплавлением) быстроизнашивающихся поверхностей металлических деталей, для создания p-n-переходов при изготовлении полупроводниковых приборов, для получения тонких пленок путем испарения материалов в вакуумных установках.
Лазерное излучение характеризуется абсолютной стерильностью, это свойство позволяет использовать его в медицине при глазных операциях, при остановке кровотечений, а также в сельском хозяйстве для обработки семян и в других процессах.
Большая мощность и экономичность С02-лазеров позволяют использовать их для разрушения сверхпрочных горных пород при производстве работ в шахтах и тоннелях. Эффективное применение лазеров подтверждено и в различных химических технологиях.
Широкое применение лазерной обработки обусловлено ее уникальными возможностями: передачей энергии в виде светового луча на значительные расстояния в любой оптически прозрачной среде; отсутствием механического и электрического контактов между источником энергии с изделием в зоне обработки; наличием высокой концентрации энергии в точке нагрева и др. Лазерные технологии позволяют осуществлять нагрев металла без его разрушения, включая плавление; разрушение металла путем испарения, резку и сварку металла; прошивку отверстий и т. д.
Лазерное излучение в последнее время широко применяется в медицине, в горном деле и в других областях. А там, где возникает необходимость получения химически чистых металлов, специальных сплавов, металлических покрытий или растворения металлов, без электрохимической обработки не обойтись.