Статьи о радиотехнике, технологиях, чертежах, 3D-моделировании

Публикации для людей, интересующихся наукой и техникой

Лазеры. Станки лазерной резки

Первые выдающиеся достижения в создании лазеров – открыли новую, фантастически перспективную область технологических решений, широко используемых в науке и технике. Лазеры – гибкий инструмент, имеющий множество применений. И поэтому никого не удивляет последовавшее быстро прогрессирующее развитие как фундаментальной науки, так и самой лазерной техники.

Широта современных возможностей лазеров поражает. Сегодня трудно представить область деятельности человека, в которой не использовались бы лазеры: будь то наука, техника, медицина или сельское хозяйство. Так, например, при производстве сотового телефона, используется более дюжины различных лазерных технологий.

Широта задач, решаемых с применением лазерных технологий, объясняет большое разнообразие видов лазеров.

Принцип работы лазера

Рассмотрим в какой-либо среде два произвольных энергетических уровня 1 и 2 с соответствующими населенностями N1 и N2. Не теряя общности можно предположить, что эти уровни имеют одинаковые кратности вырождений g1 = g2, тогда B12 = B21 = B. Пусть в этой среде в направлении оси z распространяется плоская волна с интенсивностью I. Тогда приращение интенсивности dI, обусловленное как процессами вынужденного излучения, так и процессами поглощения, в слое dz (заштрихованная область на рис. 1) определяется уравнением

dI = BI(N2 − N1)dz

Видно, что если N2 > N1, то dI > 0 – среда усиливающая, если же N2 < N1, dI < 0 – среда поглощающая, если N2 = N1 – среда прозрачная.

Усиление света в активной среде

Рис. 1. Усиление света в активной среде

Известно, что при термодинамическом равновесии населенности энергетических уровней описываются статистикой Больцмана. Среда, в которой удаётся добиться инверсной заселённости (среда с “отрицательной” температурой), называется активной средой. Если частота перехода попадает в СВЧ- диапазон – такой усилитель называется мазер, если в оптическом диапазоне – лазер.

Ла́зер (англ. laser, сокр. от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света с помощью вынужденного излучения») – устройство, использующее квантово-механический эффект стимулированного излучения для создания когерентного, согласованного потока света. Луч лазера может быть непрерывным, с постоянной амплитудой, или импульсным, достигающим экстремально больших пиковых мощностей. Вне зависимости от сфер применения, конструктивных особенностей все лазеры имеют три основные части: активную (рабочую) среду, систему накачки и резонатор.

Активная среда – субстанция, в которой создается инверсная заселенность, – может быть твердой (кристаллы рубина или алюмоиттриевого граната, стекло с примесью неодима в виде стержней различного размера и формы), жидкой (растворы анилиновых красителей или растворы солей неодима в кюветах) и газообразной (смесь гелия с неоном, аргон, углекислый газ, водяной пар низкого давления в стеклянных трубках). Полупроводниковые материалы и холодная плазма, результат химической реакции тоже дают лазерное излучение. В зависимости от типа активной среды лазеры называются рубиновыми, углекислотными, гелий-неоновыми, на красителях и т. п.

Резонатор представляет собой пару зеркал, параллельных друг другу, между которыми помещена активная среда. Одно зеркало («глухое») отражает весь падающий на него свет; второе, полупрозрачное, часть излучения возвращает в среду для осуществления вынужденного излучения, а часть выводится наружу в виде лазерного луча. В качестве «глухого» зеркала нередко используют призму полного внутреннего отражения, в качестве полупрозрачного – стопу стеклянных пластин. Кроме того, подбирая расстояние между зеркалами, резонатор можно настроить так, что лазер станет генерировать излучение только одного, строго определенного типа.

Накачка создает инверсную заселенность в активных средах, причем для каждой среды выбирается наиболее удобный и эффективный способ накачки. В твердотельных и жидкостных лазерах используют импульсные лампы или лазеры, газовые среды возбуждают электрическим разрядом, полупроводники – электрическим током.

Принципиальная схема лазера представлена на рис. 2.

Принципиальная схема лазера

Рис. 2. Принципиальная схема лазера:

1 – активная среда; 2 – энергия накачки лазера;

3 – непрозрачное зеркало; 4 – полупрозрачное зеркало; 5 – лазерный луч

Наличие усиливающей среды является необходимым условием для создания оптического квантового генератора. Для этого необходимо ввести подходящую положительную обратную связь. В мазерах это достигается тем, что активную среду помещают в объемный резонатор, имеющий резонанс при частоте ν. В лазере обратную связь обычно получают размещением активной среды между двумя зеркалами с высоким коэффициентом отражения. Такую систему обратной связи называют резонатором Фабри–Перо.

Простейший резонатор состоит из двух плоскопараллельных зеркал, как показано на рис. 3. В этом случае плоская электромагнитная волна, распространяющаяся в направлении, перпендикулярном зеркалам, будет поочередно отражаться от них, усиливаясь при каждом прохождении через активную среду. Если одно из двух зеркал сделано частично прозрачным, то на выходе системы можно выделить пучок полезного излучения.

Схематическое изображение устройства лазера

Рис. 3. Схематическое изображение устройства лазера

В лазере генерация излучения начинается тогда, когда усиление активной среды компенсирует потери в нем. Усиление излучения за один проход в активной среде равно exp(B(N2 − N1)l), где l – длина активной среды. Если потери в резонаторе определяются только пропусканием зеркал, то порог генерации будет достигнут при выполнении условия R1·R2·exp(2B(N2-N1)l) = 1, где R1 и R2 – коэффициенты отражения зеркал по интенсивности.

Как только достигнута критическая инверсия, генерация разовьется из спонтанного излучения. Фотоны, которые спонтанно испускаются вдоль оси резонатора, будут усиливаться. Этот механизм и лежит в основе лазерного генератора, называемого обычно просто лазером. Слово лазер широко применяется к любому устройству, испускающему вынужденное излучение – будь то в дальнем или ближнем ИК-, УФ- и даже в рентгеновском диапазонах.

Принято различать два типа лазеров: усилители и генераторы. На выходе усилителя появляется лазерное излучение, когда на его вход поступает незначительный сигнал на частоте перехода. Именно этот сигнал мотивирует возбужденные частицы к отдаче энергии. Происходит лавинообразное усиление. Таким образом – на входе слабое излучение, на выходе – усиленное.

С генератором дело обстоит иначе. На его вход излучение на частоте перехода уже не подают, а возбуждают и, более того, пере возбуждают активное вещество. Причем если активное вещество находится в перевозбужденном состоянии, то существенно растет вероятность самопроизвольного перехода одной или нескольких частиц с верхнего уровня на нижний. Это приводит к возникновению стимулированного излучения. Второй подход к классификации лазеров связан с физическим состоянием активного вещества. С этой точки зрения лазеры бывают твердотельными (рубиновый, стеклянный или сапфировый), газовыми (гелий-неоновый, аргоновый), жидкостными, если в качестве активного вещества используется полупроводниковый переход, то лазер называют полупроводниковым.

Третий подход к классификации связан со способом возбуждения активного вещества. Различают следующие лазеры: с возбуждением за счет оптического излучения, с возбуждением потоком электронов, с возбуждением солнечной энергией, с возбуждением за счет энергий взрывающихся проволочек, с возбуждением химической энергией, с возбуждением с помощью ядерного излучения. Различают также лазеры по характеру излучаемой энергии и её спектральному составу. Если энергия излучается импульсно, то говорят об импульсных лазерах, если непрерывно, то лазер называют лазером с непрерывным излучением. Есть лазеры и со смешанным режимом работы, например, полупроводниковые. Если излучение лазера сосредоточено в узком интервале длин волн, то лазер называют монохроматичным, если в широком интервале, то говорят о широкополосном лазере.

Лазеры, у которых непрерывная выходная мощность более 106 Вт, называют высокомощными. При выходной мощности в диапазоне 105…103 Вт имеем лазеры средней мощности. Если же выходная мощность менее 10–3 Вт, то говорят о маломощных лазерах.

Одной из характеристик лазеров является длина волны излучаемой энергии. Диапазон волн лазерного излучения простирается от рентгеновского участка до дальнего инфракрасного, т. е. от 10–3 до 102 мкм. За областью 100 мкм лежит, образно говоря, “целина”. Но она простирается только до миллиметрового участка, который осваивается радистами. Этот неосвоенный участок непрерывно сужается, и есть надежда, что его освоение завершится в ближайшее время. Доля, приходящаяся на различные типы генераторов, неодинакова. Наиболее широкий диапазон у газовых квантовых генераторов.

Еще одной характеристикой лазера является расходимость лазерного луча. Наиболее узкий луч имеют газовые лазеры. Он составляет величину в несколько угловых минут. Расходимость луча твердотельных лазеров около 1…3 угловых градусов. Полупроводниковые лазеры имеют лепестковый раскрыв излучения: в одной плоскости около одного градуса, в другой – около 10…15 угловых градусов.

Еще одной характеристикой лазера является диапазон длин волн, в котором сосредоточено излучение, т. е. монохроматичность. У газовых лазеров монохроматичность очень высокая, она составляет 10–10 т. е. значительно выше, чем у газоразрядных ламп, которые раньше использовались как стандарты частоты. Твердотельные лазеры и особенно полупроводниковые имеют в своем излучении значительный диапазон частот.

Очень важной характеристикой лазеров является коэффициент полезного действия. У твердотельных он составляет от 1 до 3,5%, у газовых 1…15%, у полупроводниковых 40…60%. Вместе с тем предпринимаются шаги к повышению КПД лазеров, так как низкий КПД приводит к необходимости охлаждения лазеров до температуры 4…77 К, а это сразу усложняет конструкцию аппаратуры.

Типы лазеров

Твердотельные лазеры

Твердотельными называются, как правило, лазеры, активной средой которых является либо диэлектрический кристалл, либо стекло. В твердотельных лазерах активными центрами являются примесные ионы, введенные в кристалл. Обычно такой ион принадлежит одной из групп переходных элементов Периодической системы элементов Менделеева (например, ионы переходных металлов, особенно Cr3+, или ионы редкоземельных элементов, главным образом Nd3+ или Er3+). Используемые для генерации переходы включают электронные уровни незаполненных внутренних оболочек. Поэтому такие переходы мало подвержены влиянию кристаллического поля. Поэтому время спонтанной релаксации попадает в миллисекундный, а не в наносекундный диапазон, как в случае электродипольно разрешенных переходов. Обе указанные выше особенности приводят к следующим важным последствиям для лазерной генерации.

Во-первых, безызлучательные каналы релаксации довольно слабы. Следовательно, время жизни верхнего уровня τ примерно равно спонтанному времени жизни, то есть оно попадает в миллисекундный диапазон.

Рубиновый лазер

Этот лазер был первым, на котором была осуществлена генерация (рис. 4) и который все еще находит применение. Рубин, сотни лет известный как природный драгоценный камень, представляет собой кристалл Al2O3 (корунд), в котором ряд ионов Al3+ замещены ионами Cr3+. Кристаллы рубина, применяемые в лазерах в качестве активной среды, обычно получают путем выращивания из расплава смеси Al2O3 и небольшой части Cr2O3. Без добавления Cr2O3 формирующийся кристалл (сапфир) становится бесцветным, и необходимо добавить совсем немного Cr2O3, чтобы кристалл приобрел розовый оттенок вследствие наличия у ионов Cr3+ зеленой и фиолетовой полос поглощения. Заметим, что в природных драгоценных камнях концентрация Cr3+ приблизительно на порядок больше, чем в искусственных, что придает им насыщенную красную окраску (красный рубин).

Устройство рубинового лазера

Рис. 4. Устройство рубинового лазера

Энергетические уровни рубина образуются за счет трех электронов во внутренней 3d оболочке иона Cr3+, находящихся под действием октаэдрического поля решетки Al2O3. Рубин имеет две основные полосы поглощения 4F1 и 4F2, причем наиболее интенсивное поглощение на эти полосы из основного состояния 4A2 происходит на длинах волн соответственно 0,55 мкм (зеленая) и 0,42 мкм (фиолетовая). Эти полосы связаны очень быстрой (за время порядка пикосекунд) безызлучательной релаксацией с состоянием как 2A, так и E. Поскольку эти два последних состояния также связаны друг с другом очень быстрой безызлучательной релаксацией (10−9 с), то их населенности термализуются, что приводит к более высокой населенности уровня E. Однако время релаксации в основное состояние как уровня 2A, так и E, довольно большое, поскольку, как уже отмечалось, оба перехода запрещены как электродипольно, так и по спину.

Из проведенного выше рассуждения теперь ясно, что на уровне E накапливается большая доля энергии накачки, и, следовательно, этот уровень хорошо подходит на роль верхнего лазерного уровня. Действительно, лазерная генерация в рубине имеет место на переходе E → 4A2 (линия R1) с длиной волны λ = 694, 3 нм (красная). Однако следует заметить, что расстояние между 2A и E по частоте (29 см−1) мало по сравнению с kT /h ( 208 см−1), и, следовательно, населенность уровня 2A сравнима с населенностью уровня Е или немного меньше ее. Кроме того, мы видим, что можно также получить генерацию и на переходе 2A → 4A2     (линия F2λ = 692,8 нм). Усиление на линии R2 несколько меньше, чем на R1. Из предыдущего рассмотрения очевидно, что рубиновый лазер работает по трехуровневой схеме и вместе с лазером на стекле с ионами Er3+ он составляет наиболее примечательный пример трехуровневого лазера.

Поскольку рубиновый лазер на самом деле работает по трехуровневой схеме, необходимая пороговая энергия накачки приблизительно на порядок превышает соответствующую величину для Nd:YAG лазера таких же размеров. Однако рубиновые лазеры все еще широко применяются в некоторых научных и технических приложениях, для которых более короткая длина волны генерации рубина дает существенное преимущество перед Nd:YAG лазером. Стоит также отметить, что в прошлом рубиновые лазеры активно использовались для военных целей при измерении дальности, где этот лазер теперь полностью заменен Nd:YAG лазером и лазером на стекле с неодимом.

Оптоволоконные лазеры

Оптические генераторы, называют лазерами, являются оптическими системами обратной связи, в которых два основных условия должны быть выполнены для создания стабильных колебаний: усиление при двукратном проходе активной среды должно быть целым; сдвиг фаз при двукратном проходе должен составлять угол, равный произведению любого целого числа на 2Π радиан. Соответственно существуют два основных элемента и в любом оптоволоконном лазере: активная среда оптического усиления; оптическая обратная связь. Оптоволоконные лазеры определяются, как лазеры, в которых оптический элемент усиления и элемент обратной связи совместно размещены в оптоволокне. Дополнительные элементы могут быть добавлены для обеспечения обратной связи или для контроля временных и спектральных характеристик лазера.

Оптоволоконный лазер схематически показан на рис. 5. Лазер накачки обеспечивает поступление энергии для активной среды усилителя. Для того, чтобы преодолеть порог генерации лазера и создать когерентное оптическое излучение, активная среда должна производить достаточное усиление для преодоления потерь, включая потери обратной связи. Широкий спектр длин волн лазерной генерации доступен при использовании силикатных волокон, легированных редкоземельными металлами.

Схема волоконного лазера

Рис. 5. Простейшая схема волоконного лазера

В большинстве практических случаев используются импульсные оптоволоконные лазеры, в которых периодическое излучение создается методом модуляции добротности. Типичные лазеры с модуляцией добротности имеют энергию импульса в несколько сотен мкДж, продолжительность импульса десятки наносекунд и пиковую мощность несколько киловатт. Новые результаты исследований показывают, что при тщательной разработке иттербиевого лазера можно генерировать импульсы с энергией более 1 мДж, пиковой мощностью до 10 кВт. При такой мощности излучения может возникнуть внутри резонансное излучение за счет многокаскадного комбинационного рассеяния, что ведёт к деградации излучения.

Оптоволоконные лазеры нашли широкое применение во многих областях благодаря своей гибкости. Гибкое оптоволокно позволяет доставить излучение/сигнал куда угодно, что и определило современное широкое использование этих лазеров в прецизионной лазерной обработке, в измерителях температуры и микродеформаций, телекоммуникационных системах, медицине (анализ и хирургия) и многих других.

Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковые лазеры отличаются высокой эффективностью среди оптических квантовых генераторов. Одной из ключевых характеристик является то, что эти устройства весьма малы, с характерными линейными размерами порядка нескольких сотен микрон на сторону. Эти лазеры относятся к классу твердотельных лазеров, которые, в отличие от обычных твердотельных лазеров, изготавливаются из полупроводниковых материалов. Накачка полупроводниковых лазеров осуществляется напрямую из электрического тока, который передается через прибор. Типичные пороговые токи для возбуждения генерации в этих устройствах составляют порядка нескольких миллиампер, а коэффициент преобразования энергии между инжектированными электронами и порожденными фотонами превышает 90%. Полупроводниковые лазеры, как правило, построены из нескольких слоев полупроводникового материала.

Схема полупроводникового лазера

Рис. 6. Схема полупроводникового лазера

Первые полупроводниковые лазеры были сделаны из арсенида галлия (рис. 6). Арсенид галлия был выращен так, что p− n переход, или диод, был сформирован внутри кристалла. Чип был на металлической основе с контактным проводом для подачи электрического тока. Гладкие торцы на диоде выступали в качестве зеркал, обеспечивающих оптическую обратную связь, необходимую для генерации когерентного излучения, а боковые стороны были шероховатыми для предотвращения лазерной генерации в направлении, перпендикулярном желательному направлению излучения.

Основные принципы генерации лазерного излучения могут быть получены посредством изучения диаграммы энергетических уровней p – n перехода прямозонных полупроводников. Величина ширины запрещённой зоны имеет важное значение при генерации света в полупроводниковых лазерах, поскольку именно она определяет энергию испускаемых фотонов. Для изготовления лазеров используются прямозонные полупроводники. В прямозонных полупроводниках экстремумы зон находятся при одном и том же значении волнового вектора, и генерация света происходит с большей вероятностью. В непрямозонных полупроводниках потолок валентной зоны и дно зоны проводимости разнесены в пространстве волновых векторов, для выполнения закона сохранения импульса нужно ещё испустить фотон с большим квазиимпульсом, и поэтому вероятность излучательной рекомбинации существенно ниже. После возникновения и усиления излучения торцы в концах полупроводников обеспечивают оптическую обратную связь. Усиление в полупроводниковых лазерах может достигать 1000 раз за один проход. В связи с этим большой коэффициент усиления и относительно низкие потери достаточны для начала генерации излучения. Типичные коэффициенты отражения от сколов торцевой поверхности полупроводников примерно равны 30%, по сравнению с 60-99% для твердотельных лазеров. С развитием полупроводниковых лазеров наблюдается быстро растущее их применение во многих устройствах благодаря компактным размерам, эффективности преобразования электрического тока в излучение и очень недорогой стоимости. Невероятно высокая эффективность получена при применении полупроводниковых лазеров для накачки других лазеров, например, оптоволоконных лазеров. Благодаря этому КПД оптоволоконного лазера приближается к 40%. Широкое применение такие лазеры нашли и в бытовых устройствах (лазеры- указки, лазеры в компакт-дисках и т.д.).

Газовые лазеры

Спектральные линии в газах имеют низкую ширину, поскольку действующие в газах механизмы уширения слабее, чем в твердых телах. В связи с этим в газовых лазерах не используется, как в твердотельных лазерах, оптическая накачка с помощью ламп.

Газовые лазеры накачиваются (рис. 7), как правило, электрически, то есть на качка достигается при пропускании достаточно сильного тока через газовую среду.

Схема газового лазера

Рис. 7. – Схема газового лазера:

1 – баллоны с газом; 2 – отражающее зеркало; 3 – блок питания;

4 – газоразрядная трубка; 5 – полупрозрачное зеркало;

6 – насос; 7 – электроды; 8 – водяная рубашка охлаждения

Из возбужденного состояния частица может перейти на более низкие энергетические уровни благодаря четырем различным процессам:

  • столкновениям возбужденной частицы с электроном, при которых частица передает свою энергию электрону;
  • столкновениям между атомами;
  • столкновениям частицы со стенками сосуда;
  • спонтанному излучению.

В случае последнего процесса следует всегда учитывать возможность захвата излучения. Этот процесс уменьшает эффективную вероятность спонтанного излучения. При постоянном значении тока электрического разряда все эти процессы возбуждения и релаксации приводят в конечном счете к установлению некоторого равновесного распределения населенности по энергетическим уровням. Таким образом можно видеть, что в газовых лазерах из-за большого числа протекающих в газах процессов механизм создания инверсии населенностей является более сложным по сравнению с твердотельными лазерами. Вообще говоря, инверсия населенностей между двумя данными уровнями возникает при выполнении одного следующих условий: 1) скорость возбуждения верхнего лазерного уровня больше, чем нижнего, и 2) скорость релаксации верхнего лазерного уровня меньше, чем нижнего.

В газовых лазерах в качестве активной среды могут использоваться нейтральные атомы в виде газа или пара. Лазеры на нейтральных атомах составляют широкий класс, который включает в себя, лазеры, использующие почти все инертные газы (Не, Ne, Кг, Аг, Хе). Все лазеры на нейтральных атомах инертных газов генерируют в ИК-диапазоне, за замечательным исключением Не-Ne-лазера, излучающего в зеленой и красной областях. Большой класс лазеров составляют также лазеры на парах металлов, таких как РЬ, Сu, Аu, Са, Sr и Мn. Эти лазеры, как правило, работают в видимой области. Наибольшее значение среди них приобрел лазер на парах меди, генерирующий на зеленом (λ = 510, 5 нм) и желтом (λ = 578, 2 нм) переходах. Все лазеры на парах металлов являются само ограниченными, и поэтому работают в импульсном режиме.

В CO2-лазере используется специальная смесь газов CO2, N2 и He. Генерация происходит на переходе между двумя колебательными уровнями молекулы CO2, а азот и гелий значительно повышают КПД лазера. CO2- лазер является одним из самых мощных лазеров, работающих в постоянном режиме генерации излучения, и одним из наиболее эффективных. Лишь полупроводниковые и CO-лазеры имеют более высокие КПД. С точки зрения конструкции СО2-лазеры можно подразделить на семь типов:

  • лазеры с медленной продольной прокачкой;
  • лазеры с быстрой продольной прокачкой;
  • отпаянные лазеры;
  • волноводные лазеры;
  • лазеры с поперечной прокачкой;
  • лазеры с поперечным возбуждением при атмосферном давлении;
  • газодинамические лазеры.

Следует указать на то, что, хотя они и отличаются друг от друга по выходной мощности, все они имеют общую важную особенность, а именно высокий КПД (15-25%). Высокий КПД является следствием большого квантового выхода (40%) и очень высокоэффективного процесса накачки, который имеет место в СО2 - лазере при оптимальной электронной температуре разряда.

К настоящему времени CO2-лазеры являются основным инструментальным средством лазерной обработки материалов: лазерная резка, прошивка отверстий, термообработка, спекание порошков и многое другое.

Химические лазеры

В 1960 году предложили конструкцию химического лазера благодаря пониманию того, что выделяемая энергия многих химических реакций может переходить в энергию, приходящуюся на колебательные степени свободы. Механизм накачки, используемый в лазере на HF, связан с так называемой холодной реакцией:

F + H2 → HF (v) + H

Поскольку выделяемая в реакции теплота составляет 31,6 ккал/моль, молекула HF может оказаться в возбужденном состоянии вплоть до колебательного уровня v – 3 (рис. 8).

Схема химического лазера

Рис. 8. Схема химического лазера:

1 — электрическая дуга, 2 — оптически активная область, 3 — сверхзвуковой поток, 4 - выходной пучок

Вследствие того, что времена релаксации с различных колебательных уровней отличаются, уровень v – 2 обладает самой большой населенностью, и на переходе v = 2 → v = 1 образуется большая инверсия населенностей. Необходимо отметить, что на колебательные степени свободы приходится более 60% энергии реакции, это приводит к возможности генерации максимальной высокой мощности излучения.

Лазеры на свободных электронах

Лазеры на свободных электронах впервые были разработаны 50 лет назад и сейчас позволяют генерировать перенастраиваемое лазерное излучение в диапазоне от микроволн до ультрафиолета. В таких лазерах свободные электроны высокой энергии, полученные в ускорителях элементарных частиц, испускают когерентное излучение. Электроны представляют поток свободно движущихся частиц, длина волны генерируемого излучения не ограничена, в отличие от связанных электронов в атомах и молекулах при переходе между двумя дискретными энергетическими уровнями. Процесс генерации излучения свободными электронами может быть описан классической электромагнитной теорией.

Излучение создается при взаимодействии между тремя элементами: электронного пучка и электромагнитной волны бегущих в одном направлении и периодического магнитного поля, создаваемого системой магнитов, известных как ондулятор. Схематическое изображение системы из этих трех элементов показано на рис. 9 для плоской геометрии ондулятора. Ондулятор магнитного поля действует на электроны таким образом, что они приобретают волнообразное движение. Ускорение, связанное с этой криволинейной траекторией, согласно законам классической электродинамики, формирует электромагнитное излучение. В этом процессе электроны теряют энергию на излучение электромагнитной волны, которая усиливается и излучается лазером. Широкий диапазон настройки лазера на свободных электронах возможен потому, что длина волны генерируемого излучения определяется как периодичностью поля в ондуляторе, так и энергией электронного пучка.

Лазеры на свободных электронах

Рис. 9. Схематическое изображение взаимодействия между электронным пучком и электромагнитным полем, формируемым плоским ондулятором

Рентгеновские лазеры

Достижение когерентной генерации в рентгеновском диапазоне долго было желанной мечтой, которая медленно, но верно воплощается в жизнь. Действительно, потенциальные приложения рентгеновских лазеров крайне важны – они включают такие возможности, как рентгеновская голография клеток или их частей, с помощью которой можно получать трехмерные изображения с разрешением в несколько ангстрем, и рентгеновская литография полупроводниковых приборов.

С практической точки зрения заметим, что многослойные диэлектрические зеркала в рентгеновской области обладают большими потерями и трудны в изготовлении. Основная проблема состоит в том, что в этом диапазоне разница в показателях преломления различных материалов оказывается очень малой. Поэтому для получения приемлемых коэффициентов отражения необходимо использовать большое число диэлектрических слоев, а рассеяние света на столь большом числе поверхностей раздела приводит к очень большим потерям. Поэтому до сих пор рентгеновские лазеры работают без зеркал в режиме УСИ. Геометрия мягкого рентгеновского лазера с поперечным освещением показана на рис. 10.

Геометрия мягкого рентгеновского лазера с поперечным освещением

Рис. 10. Геометрия мягкого рентгеновского лазера с поперечным освещением

Применение лазерных технологий в промышленности

Обработка материалов с помощью лазеров вылилась в последнее время в мощное направление, которое получило название лазерной технологии. Лазерный луч - это уникальный тепловой источник, способный нагреть облучаемый участок детали до высоких температур за столь малое время, в течение которого тепло не успевает «растекаться». Нагреваемый участок может быть при этом размягчен, расплавлен, наконец, его можно испарить. Дозируя тепловые нагрузки путем регулирования мощности и продолжительности лазерного облучения, можно обеспечить практически любой температурный режим и реализовать различные виды термообработки. Лазерный нагрев используется для поверхностной закалки и легирования металлов, для плавления при сварке, для плавления и испарения с выбросом паров при резке и сверлении». Можно сформулировать основные достоинства, которые имеет лазерная обработка материалов:

  • большое разнообразие процессов обработки самых различных видов материалов;
  • высокая скорость выполнения операций по обработке (иногда в 1000 раз большая, чем при механической);
  • высокое качество обработки (гладкость срезов, прочность сварных швов, чистота обработки и др.);
  • возможность высокоточной прецизионной обработки;
  • селективность воздействия на отдельные участки обрабатываемой поверхности и возможность дистанционной обработки;
  • большие возможности по автоматизации операций, способствующих существенному повышению производительности труда.

Вкратце можно перечислить следующие сферы применения лазера в промышленности: металлообработка, лазерная сварка, термообработка, маркировка, применение лазеров в различных средствах измерения деталей.

Наиболее распространенной сферой применения лазера при металлообработке является резка различных материалов. Лазерную резку металлов можно сравнить с другими методами термической резки – с газопламенной и плазменной. Во всех случаях в зону резки подводится энергия для расплавления металла, затем расплавленный металл выдувается из канала реза различными сжатыми газами. В лазерной резке металл расплавляется лучом лазера, сфокусированном на поверхности обрабатываемого металла (рис. 11). Фокусирование луча лазера осуществляется фокусирующей линзой, установленной в режущей головке. Причем при резке тонких заготовок (до 3 мм) происходит испарение металла, а при резке более толстых заготовок плавление. Для выдувания расплавленного металла из полости реза, туда подается кислород или азот под давлением. Вышеуказанный газ обычно называют вспомогательным или режущим.

Резка конструкционных углеродистых сталей обычно ведется с применением кислорода. Давление газа зависит от толщины обрабатываемой листовой заготовки: чем меньше толщина заготовки, тем выше давление. Данная зависимость обусловлена тем что, при резке тонкой заготовки из листа углеродистой стали происходит механическое удаление расплавленного металла из канала реза. Поэтому давление вспомогательного газа должно быть максимальным - 5 бар для данного вида резки. При резке более толстых заготовок (свыше 6 мм) из листа углеродистой стали происходит горение (окисление) расплавленного металла в среде кислорода. Поэтому кислород в канал резки подается с более низким давлением - 0,5 бар. Максимальная толщина листа из углеродистой стали, обрабатываемого лазерной резкой, на данный период составляет около 25 мм.

Принципиальная схема лазерной резки

Рис. 11. Принципиальная схема лазерной резки

Резка нержавеющих сталей ведется с применением азота, изредка воздуха. Применение данных газов дает более качественный рез без окалины. Причем если к внешнему виду реза, шероховатости предъявляются высокие требования, то применяют азот, в противном случае и при резке листа нержавеющей стали до 1–2 мм целесообразно применение воздуха. Давление газа также зависит от толщины обрабатываемой заготовки: чем больше толщина, тем выше давление газа. Здесь давление азот (воздуха) может достигать на максимальных толщинах 15 бар. Поэтому лазерная резка нержавеющих сталей достаточно дорогостоящая операция т. к. расход азота может достигать 650 л/мин. Максимальная толщина листа из нержавеющей стали, обрабатываемого лазерной резкой, на данный период составляет около 16 мм.

Алюминий и сплавы на его основе – самые труднообрабатываемые по технологии лазерной резки. Применяемые газы и параметры их применения аналогичны, обработке нержавеющей стали. Причем максимальная толщина листа составляет, на данный период, около 12 мм. Во всех случаях применение вспомогательного газа позволяет значительно снижать удельное энергопотребление лазерной резки.

Преимущества и недостатки лазерной резки

К неоспоримым преимуществам лазерной резки можно отнести:

  • высокую точность обработки, даже на не самых совершенных установках лазерной резки точность позиционирования режущей головки достигает 0,05/500 мм, на более совершенных машинах данный показатель составляет величину 0,01/500 мм, за счет чего достигается высокая точность взаимного расположения элементов детали;
  • высокую скорость процесса резки: например, скорость рабочего перемещения при обработке листа из углеродистой стали толщиной 1 мм может достигать 8000 мм/мин, а скорости холостых перемещений на некоторых машинах достигают 300 м/мин, что дает общую высокую производительность операции лазерной резки;
  • полное отсутствие механического воздействия на заготовку в процессе обработки, благодаря чему можно обрабатывать легкодеформируемые и нежесткие детали;
  • в отличие от других способов термической резки, зона термического влияния на заготовку минимальна, данное преимущество позволяет обрабатывать детали склонные к короблению, детали с какими-либо декоративными покрытиями, окрашенные детали;
  • диаметр лазерного луча в зоне резки около 0,15-0,25 мм, что позволяет вырезать достаточно сложные элементы деталей;
  • процесс лазерной резки легко поддается автоматизации с применение современных средств числового управления, контроля, диагностики состояния оборудования, современные станках с высоким уровнем автоматизации.

Помимо достоинств процесс лазерной резки также имеет некоторые недостатки, хотя они и носят некоторый субъективный характер:

  • достаточно дорогостоящее оборудование, экономическая целесообразность применение, которого, возможна при очень интенсивном его использовании в тех областях производства, где оно незаменимо;
  • недостаток подготовленного, квалифицированного персонала, для работы, обслуживания, технологической подготовки;
  • ограниченность, а в некоторых случаях невозможность обработки определенных конструкционных материалов;
  • для работы станка лазерной резки необходимы специфичные расходные материалы: газы высокой чистоты, специальные масла, жидкости.

Станки лазерной резки

Для превращения лазерного луча в инструмент, ему или обрабатываемой заготовке нужно сообщить движение подачи по траектории, совпадающей с контуром получаемой детали, либо элементов детали. Машина, где выполняются эти условия называют - станок лазерной резки.

Независимо от своей классификационной принадлежности, практически все станки лазерной резки, за исключением специальных моделей для обработки различного металлопрофиля, имеют в своей конструкции стол, для размещения на нем листовой заготовки. Размеры стола согласованы со стандартными размерами металлического листа. Для повышения производительности, часто в конструкцию станка встраивается второй сменный стол (рис. 12). По данной схеме один стол находится в рабочей позиции – там происходит резка заготовки, второй стол находится в позиции загрузки–выгрузки – там происходит снятие готовых деталей после резки и загрузка заготовки для последующей обработки. Смена столов чаще происходит автоматически, по программе, иногда, на простых машинах, при участии оператора. Применение такой конструкции значительно снижает время, затрачиваемое на установку-снятие деталей и заготовок, что в свою очередь повышает производительность операции.

Двухпаллетная схема станка лазерной резки

Рис. 12. Двухпаллетная схема станка лазерной резки

Один из подходов классификации станков лазерной резки по возможности обрабатывать различные виды заготовок. Здесь акцентируют внимание на следующие виды:

  • станки для обработки только листовой заготовки, т. н. 2D-станки – самая распространенная разновидность станков (рис. 13). Оснащаются жестко закрепленной режущей головкой. Из дополнительных возможностей некоторых станков стоит отметить обработку трубной заготовки с применением различных зажимных приспособлений типа токарного патрона, нарезка резьбы и снятие фасок в предварительно вырезанных отверстиях;
  • 2D+3D станки для обработки, как листовой заготовки, так и различной объемной заготовки. Как и станки первой группы имеют стол, на котором помимо обработки листовой заготовки, можно закреплять объемную заготовку. Также станки оснащаются вращающимся зажимным приспособлением для обработки трубной заготовки различного сечения. Главное отличие данного вида станков – подвижная в 3-х координатах режущая головка (рис. 14);
2D-cтанки лазерной резки

Рис. 13. 2D-cтанки лазерной резки

2D + 3D-станки лазерной резки

Рис. 14. 2D+3D-станки лазерной резки

  • 3D станки –высокопроизводительные устройства для обработки металлопрофиля. Оснащаются автоматизированными погрузочными и разгрузочными устройствами различных конструкций: насыпные, конвейерные и подъемные. Режущая головка – подвижная в 3-х координатах (рис. 15).

Применяемые термины 2D, 2D+3D, 3D, в первую очередь относятся к обрабатываемой заготовке, а не к управляемым осям станка. При обработке двумерной заготовки – листа, профиль вырезаемой детали лежит в плоскости X, Y, хотя управление осуществляется по трем осям X, Y, Z. По Z происходит отслеживание неровностей заготовки. То же самое можно сказать про обработку трехмерной заготовки. Тело вырезаемой детали трехмерно, а управление движением резака происходит по пяти осям X, Y, Z, A, B.

Таким образом, можно сказать, что 2D станки ведут 3-х осевую обработку, а станки 2D+3D могут вести 5-ти осевую обработку.

3D-станки лазерной резки

Рис. 15. 3D-станки лазерной резки

Другой подход в классификации станков – по схемам движения стола и режущей головки. По данному признаку различают станки с «летающей оптикой», гибридные станки и станки с неподвижной режущей головкой. Станки с «летающей оптикой» – самая распространенная схема. Согласно данной схеме стол с заготовкой неподвижны. Все движения совершает режущая головка (рис. 16), а т. к. стол с заготовкой неподвижны, здесь достигаются самые высокие скорости движений. Из недостатков стоит отметить ограниченность доступа в рабочую зону станка, из-за чего на данных установках применяют второй сменный стол.

Схема движений станка с летающей оптикой

Рис. 16. Схема движений станка с «летающей» оптикой

В гибридных станках стол с заготовкой совершают движение по оси Х, режущая головка совершает движения по оси Y (рис. 17). Число станков по данной схеме постоянно увеличивается, т. к. они отличаются простотой конструкции, стабильным качеством резки, хорошим доступом к заготовке. К недостаткам можно отнести невысокую скорость перемещений.

Схема движений станка гибридного типа

Рис. 17. Схема движений станка гибридного типа

Станки с неподвижной режущей головкой – наименее распространенная схема. Здесь все движения совершает либо стол с заготовкой, либо одна заготовка, удерживаемая захватами (рис. 18), а т. к. длина луча практически не изменяется, то в данном случае достигается высокая стабильность качества резки. Недостатком является невозможность обработки относительно тяжелых заготовок и невысокую скорость перемещений.

Станок с неподвижной режущей головкой

Рис. 18. Станок с неподвижной режущей головкой

Существуют и другие подходы к классификации, предлагаемые различными производителями данного оборудования:

  • в первую очередь следует определиться, что будет обрабатываться на станке лазерной резки. Либо это будет только металлический лист и объемная заготовка, либо это будет только объемная заготовка. Данный пункт, в первую очередь влияет на стоимость оборудования и в некоторой степени на габаритные размеры оборудования;
  • принципиально определиться с мощностью лазерного генератора. Параметр влияет на максимальную толщину обрабатываемого материала. Причем следует заметить, что мощность лазерного генератора существенно влияет на потребление станком электроэнергии и стоимость станка;
  • многие производители оборудования лазерной резки, опционально оснащают свои станки дополнительными приспособлениями и оснасткой существенно расширяющими возможности оборудования. Например, на станках 2D резки может устанавливаться вращающийся шпиндель для обработки трубной заготовки. Или, если станок оснащен системой смены режущих головок, то в качестве инструмента может работать резьборезная головка с метчиком и головка с зенковкой для снятия фасок в предварительно вырезанных отверстиях.

Системы ЧПУ

В зависимости от типа станка лазерной резки, от количества управляемых координат, применяют различные типы систем ЧПУ (рис. 19–21).

Относительно простые СЧПУ находят применение в станках для обработки только листовой заготовки. Здесь программируется управление по трем координатам (X, Y, Z). Управление по оси Z происходит при помощи системы слежения. Она позволяет обрабатывать металлические листы с значительным отклонением от плоскостности, избегая повреждений режущей головки.

СЧПУ Siemens SINUMERIK

Рис. 19. СЧПУ Siemens SINUMERIK

Пульт СЧПУ ByVision фирмы Bystronic

Рис. 20. Пульт СЧПУ ByVision фирмы Bystronic

СЧПУ Mazatrol PREVIEW

Рис. 21. СЧПУ Mazatrol PREVIEW фирмы Mazak

Трудоёмкие системы ЧПУ устанавливаются на машины для объемной резки. В данном случае управляемыми становятся пять, а в более передовых системах шесть координат.

Комплексные задачи ставятся перед СЧПУ на станках для обработки различного металлопрофиля. На таких станках, помимо управления движениями режущей головки, заготовки, нужно управлять загрузочными и разгрузочными устройствами. В связи с этим на таких станках нередко устанавливают две системы ЧПУ, которые согласованно управляют перечисленными устройствами.

Все современные СЧПУ обладают стандартным набором функций и возможностей:

  • ручное бесступенчатое изменение скорости подачи во время выполнения программы;
  • изменение давления вспомогательного газа во время выполнения программы;
  • фоновое редактирование программы;
  • покадровый просмотр программы с симуляцией выполнения;
  • перезапуск программы с последнего места остановки;
  • диагностика станка с выводом сообщений о неисправностях и каких- либо ошибках;
  • ведение графика регламентных работ с обозначением времени, оставшемся до регламентных работ и выводом соответствующего сообщения на дисплей;
  • встраивание СЧПУ в локальную сеть предприятия.

Многие производители могут добавлять множество других функций и возможностей в зависимости от назначения или области применения станков лазерной резки. Среди систем ЧПУ фигурируют такие марки как, Siemens, Fanuc. Их используют производители станков не выпускающие собственные СЧПУ. Многие производители (Trumpf, Mazak, Bystronic и т. д.) оснащают свои станки системами ЧПУ собственной разработки. Считается, что они более приспособлены к условиям лазерной резки и поэтому более эффективны.

Среди достоинств лазерной резки можно выделить следующие пункты:

  • открывает множество уникальных возможностей по росту эффективности, увеличению производительности, гибкости производственных процессов;
  • заменяет такой затратный и неэффективный, в условиях современного производства, способ как вырубка деталей и заготовок из металлического листа;
  • позволяет уйти от изготовления дорогостоящей штамповой оснастки для изготовления всего лишь одного наименования детали;
  • программная оптимизация раскроя листа, существенно экономит металл;
  • позволяет обрабатывать различные металлы и сплавы независимо от их физических и механических свойств.

Методика разработки технологии резки

Разработка технологических процессов механической обработки является сложной, комплексной, многовариантной задачей, требующей учета большого числа разнообразных факторов. В основу разработки технологического процесса закладывается технико-экономический принцип, предполагающий изготовление изделий в полном их соответствии с их эксплуатационными свойствами, задаваемыми в конструкторской документации и технических условиях при наименьшей себестоимости. За разработкой конструкторской документации и любых чертежей вы можете обращаться сюда.

Разработка технологического процесса изготовления детали «Скоба»

Наружный контур детали (рис. 22) имеет достаточно сложное криволинейное очертание. Это самый нетехнологичный элемент детали. Также достаточно нетехнологичными являются множество отверстий разного диаметра, расположенных согласно координатным размерам, требующих в обычных условиях достаточно длительной разметочной операции.

Общий вид детали

Рис. 22. Общий вид детали

Изготовление скобы на оборудовании подразумевает:

  • упрощение криволинейного профиля;
  • большой удельный расход металла;
  • низкая производительность;
  • множество как основных операций (фрезерование, сверление и т. д.), так и вспомогательных операций (разметка, слесарные);
  • привлечение рабочих высокой квалификации.

Применение данного оборудования позволяет получать за одну установку деталь с требуемым криволинейным контуром и со всеми отверстиями, в том числе отверстиями под резьбу М12. Полученные после лазерной резки поверхности детали не требуют дальнейшей обработки, тем самым, исключая дополнительные слесарные операции.

Примем заготовку, полученную методом проката. В данном случае это будет горячекатаный листовой прокат – лист толщиной 12 мм с габаритными размерами 1250×2500 мм. Расчета оптимального раскроя листовой заготовки получен был в программе Mazak Smart System, представленного на рис. 23.

Маршрут обработки детали

Заготовка – стальной лист поступает на участок лазерной резки и складируется в стопу рядом со станком. При помощи кран-балки грузоподъемностью 5 тонн и магнитного грузозахватного механизма лист располагают на рабочем столе станка. На станке лазерной резки происходит вырезка заготовок детали из листа по программе.

Раскрой листовой заготовки

Рис. 23. Раскрой листовой заготовки

После вырезки партию заготовок перемещают к гидравлическому листогибочному прессу с ЧПУ. Здесь происходит гибка заготовки по программе. Затем партия заготовок поступает на слесарный участок, где происходит нарезка резьбы М12 в двух отверстиях при помощи бес стружечного метчика и пневматической резьборезной машинки ИП3.403А.

005 ПРОФИЛЬНО-ВЫРЕЗНАЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКАЯ ЛУЧЕВАЯ

Вырезать заготовку по программе согласно эскизу (рис. 24).

Операция 005

Рис. 24. Операция 005

010 ГИБКА

Гнуть заготовку по программе, выдерживая размеры 1 и 2 (рис. 25).

Операция 010

Рис. 25. Операция 010

015 РЕЗЬБОНАРЕЗНАЯ

Нарезать резьбу М12-Н7 в двух отверстиях (рис. 26).

Операция 015

Рис. 26. Операция 015

Станочное оборудование для технологического процесса

Для того чтобы производство было эффективным, необходимо использовать современные станки, обеспечивающие высокую производительность, точность и качество производимых деталей. На операции лазерной резки используется станок лазерной резки Mazak Super Turbo X 48 Champion. Станок выполнен по гибридной схеме, т. е. стол с заготовкой подвижны по оси Х, режущая головка перемещается по оси У. На станке установлен лазерный резонатор мощностью 1,3 кВт. Основные узлы станка изображены на рис. 27.

Станок лазерной резки Mazak STX 48 Champion

Рис. 27. Станок лазерной резки Mazak STX 48 Champion:

1 – стол станка; 2 – режущая головка; 3 – пульт управления;

14 – конвейер для удаления мелких деталей и отходов; 5 – лазерный резонатор; 6 – пневмозажимы

На операции 010 – гибка применяется гидравлический листогибочный пресс с ЧПУ фирмы EHT модели Variopress VP 300-30 (рис. 28). Пресс оснащен управляемыми программно упорами, различными устройствами поддержки массивных заготовок, системой компенсации прогиба стола.

Листогибочный пресс с ЧПУ Variopress VP 300-30

Рис. 28. Листогибочный пресс с ЧПУ Variopress VP 300-30

Выбор помещения для лазерного станка

Площадь вашего помещения под лазерную резку будет зависеть от производственных задач. Это будет лазерный станок, система охлаждения станка, компрессор, персональный компьютер, офисный стол, стул, верстак. В помещении могут быть организованы места хранения сырья и готовой продукции, покрасочная, шлифовальная.

Вытяжка для лазерного станка

В процессе лазерной резки и гравировки различных материалов на станке с ЧПУ выделяются продукты горения, которые не только доставляют дискомфорт, но и могут быть опасными для здоровья. В помещении цеха обязательно должна быть организована система вытяжной вентиляции, для чего необходима приточка и отточка.

Отопление

Лазерный станок с ЧПУ будет идеально выполнять поставленные перед ним задачи в части резки и гравировки, если его эксплуатироваться при стабильной комнатной температуре. Поэтому в помещении для лазерной резки должно быть отопление, чтобы в холодное время года не столкнуться с пониженными температурами, которые могут не только снизить качество обработки.

Электроснабжение помещения лазерной резки

В помещении для лазерной резки в розетках должно быть 220 вольт, а проводка, автоматы и все остальные элементы энергоснабжения должны обеспечивать стабильную работу лазерного станка и сопутствующего оборудования, которое будет использоваться в мастерской.

Заземление лазерного станка

Лазерный станок, а также другое обрабатывающее оборудование, которое используется в мастерской требуют заземления.

В первую очередь это необходимо для того, чтобы оператора случайно не ударило током. Вторая задача, которую решает заземление - защита лазерного станка.

Поэтому, чтобы здоровью не был нанесен вред или электронные системы лазерного станка, не выгорели, то нужно организовать грамотное заземление в помещении мастерской.