вход Вход Регистрация



Такие физические характеристики лазерного излучения, как когерентность, монохроматичность, интенсивность обусловили его применение в различных технологических процессах тепловой и селективной обработки материалов и веществ.

Технологический лазер представляет собой устройство, предназначенное для работы в составе комплекса промышленного оборудования, производящего изделия машиностроения, приборостроения или материалы (вещества) с заданными физическими и химическими характеристиками.

Технологический лазер должен удовлетворять следующим условиям:

1) общим требованиям, предъявляемым к любому промышленному технологическому оборудованию.

2) специфическим требованиям, предъявляемым со стороны лазерного технологического процесса, или связанным с особенностями лазерного луча как рабочего инструмента.

Поэтому технологический лазер должен обладать соответствующими параметрами конструкции и рабочего тела.

Конструкция технологического лазера и условия его эксплуатации должны обеспечивать полную безопасность в работе, удовлетворять гигиеническим, экологическим, эстетическим требованиям, технико - экономической целесообразности использования каждого конкретного вида лазерной технологии.

Требования к параметрам лазерного излучения со стороны лазерных технологических процессов определяют:

1) физическую возможность того или иного процесса лазерной обработки изделий или веществ (интенсивность излучения на обрабатываемой поверхности и длительность воздействия излучения);

2) среднюю мощность излучения, которая определяет производительность процесса;

3) угловую расходимость и апертуру пучка лазерного излучения и достижение необходимой интенсивности излучения при фокусировке;

4) длину транспортировки излучения;

5) допустимые величины нестабильностей полной мощности излучения угловой расходимости и углового положения оси пучка (определяют качество процесса лазерной обработки ).

Схемы и конструкции технологических лазеров

К настоящему времени достаточно широкое промышленное применение получили два класса технологических лазеров:

1) твердотельные технологические лазеры (ТТТЛ) с оптической накачкой на твердых кристаллах (АИГ, Nd );

2) газоразрядные технологические лазеры (ГРТЛ) с диффузионным охлаждением (ЛДО) или с конвективным ( БПЛ ) охлаждением рабочей смеси (СО2).

Твердотельные лазеры (ТТЛ) применяют в процессе термической технологии обработки изделий приборостроения и микроэлектроники, газоразрядные технологические лазеры (ГРТЛ) применяют в приборостроении, в термических процессах( резка, сварка и т. д.) изготовления изделий машиностроения.

Промышленный технологический лазер включает в свой состав следующие узлы (системы):

· активный элемент, обеспечивающий процесс генерации. В ТТТЛ активный элемент представляет собой « квантрон », который включает в свой состав рабочее тело (кристалл), лампу накачки и отражатель (концентратор излучения лампы накачки). В ГРТЛ активный элемент представляет собой газоразрядную камеру (ГРК) с рабочим газом (рабочей смесью). Для обеспечения постоянства состава и давления рабочего газа ТЛ этого класса должен иметь систему газообеспечения;

· источник электропитания (ИЭП) активного элемента;

· систему охлаждения, которая должна обеспечивать оптимальную температуру активной среды и достаточно низкую температуру узлов конструкции ТЛ, гарантирующую большой ресурс его работы. В ГРТЛ система охлаждения рабочего газа имеет прокачное средство ( вентилятор или компрессор);

· оптический резонатор с устройством вывода излучения. Оптический резонатор должен иметь высокие значения энергетической эффективности генерации излучения и оптического качества лазерного пучка;

· систему транспортировки и фокусировки излучения (СТФИ);

· систему автоматического управления (САУ)ТЛ, которая является подсистемой системы автоматизированного лазерного технологического комплекса (ЛТК), предназначена для автоматического вывода ТЛ на заданный режим генерации излучения, обеспечения безаварийности и безопасности функционирования ТЛ, управления временным ходом мощности ЛИ, необходимым для выполнения предназначенного процесса;

Конструкция ТЛ может быть выполнена либо в виде моноблока, включающего в себя все перечисленные выше узлы (системы), так и в виде отдельного блока генерации излучения ( включая активный элемент, оптический резонатор, систему охлаждения) и различные агрегатные блоки питания и управления.

Пространственные характеристики лазерных пучков

Целесообразность применения лазера в технологии, в том числе и в медицине, во многом зависит от возможности транспортировки его излучения на большие расстояния, а также от концентрации энергии пучка на малых площадях.

Возможность транспортировки зависит от пространственных характеристик лазерного излучения:

а) распределения интенсивности в лазерном пучке;

б) расходимости лазерного излучения.

Распределение интенсивности излучения на выходной апертуре( от лат.- отверстие) лазера определяется:

- типом резонатора,

- модовым составом возбуждаемых колебаний.

В случае одномодовой генерации лазера с устойчивым резонатором на основной моде ТЕМ00 распределение интенсивности описывается кривой, близкой к распределению Гаусса [10]:

,

где I0- интенсивность на оси пучка,

wG- условный радиус выходящего гауссова пучка, т.е. расстояние, на котором интенсивность излучения снижается в е2 раз,

w - радиус области каустики на зеркалах (т.е. радиус пятна на зеркале резонатора).

Рисунок 3.1. Вид распределения.

Для устойчивых резонаторов существует стационарное распределение интенсивности электромагнитного поля. В общем случае интенсивность излучения в устойчивом резонаторе распределена не равномерно по всему объему резонатора, а сосредоточена внутри области, называемой каустикой.

Рисунок 3.2. Область каустики [1]

Основные параметры устойчивости резонатора:

 

 

Расстояния L1 и L2 от места положения перетяжки до зеркал:

 

.

 

Для конфокального резонатора: L1=L2=Lp/2,

 

.

 

Профиль каустики w(х) описывается уравнением

.

 

Расстояние х отсчитывается от плоскости перетяжки.

Размер занятой излучением зоны на зеркалах ( x=Lp/2 ) составит [3]:

 

.

 

Величина I0 (интенсивность на оси пучка) связана с полной мощностью излучения лазера Р и радиусом пучка соотношением [2]:

 

.

 

Варьируя модовый состав излучения, можно существенно влиять на распределение интенсивности.

Лазерное излучение никогда не выходит из лазера в виде пучка параллельных лучей. Лазерный пучок расходится ( расширяется в пространстве).

Расходимость лазерного пучка характеризуется полным углом расходимости 2q, в пределах которого содержится определенная доля Y мощности (или энергии) лазерного излучения qР(Y) (интенсивность падает в определенное Y число раз qI(y)).

Принципиальное ограничение снизу на угол расходимости накладывает явление дифракции.

Половина дифракционного угла расходимости [10]:

 

,

где bd – определяющий дифракцию характерный размер пучка,

Ad – числовой коэффициент, характеризующий форму распределения интенсивности пучка на выходе из резонатора.

Для гаусовых пучков [10]

Из-за дифракции радиус неограниченного пучка гауссовой формы растет по мере удаления от плоскости перетяжки в резонаторе на расстояние х по закону [11]:

 

.

На больших расстояниях (как принято говорить, в дальней зоне, т.е. при

 

половинный угол, в пределах которого интенсивность гауссового лазерного пучка падает в е2 раз, составит [10]:

 

.

 

В этом угле содержится 86,5% мощности лазерного пучка, т.е.

 

 

В реальных условиях величина расходимости излучения технологических лазеров может существенно превышать qd из-за оптической неоднородности активной среды, несовершенства оптических элементов резонатора и их механических вибраций, приводящим к колебаниям оси резонатора в пространстве.

Фокусировка лазерного излучения.

Для большинства технологических процессов плотность мощности излучения непосредственно на выходе из лазера не является достаточной. Поэтому лазерный луч приходится фокусировать. В этом случае средняя плотность мощности на обрабатываемом изделии может достигать [10]:

 

,

 

где rmin- минимальный характерный радиус пятна фокусировки.

Так как сфокусированный пучок не имеет резких границ, то оговаривают критерий, по которому он определяется. По аналогии с расходимостью под радиусом сфокусированного лазерного пучка подразумевается размер rP(y), в пределах которого сосредоточена определенная доля y мощности Р (или энергии) лазерного излучения, или размер rS(y), при котором локальная интенсивность S составляет определенную часть максимальной интенсивности S0.

Для гауссовых пучков [11]:

 

 

Иногда сфокусированное лазерное пятно удобно характеризовать так называемым яркостным размером r0, в котором содержится полная энергия однородного пучка с плотностью, равной максимальной плотности в реальном пятне [11]

 

,

где

S0 – максимальная интенсивность,

S – локальная интенсивность.

 

Для более полной характеристики распределения энергии и интенсивности в лазерном пучке используются дополнительные понятия [11]:

- сосредоточенность

,

- контрастность

.

 

Размеры пятна в фокальной плоскости при учете совместного действия дифракции и аберрации можно приближенно представить в виде [10]:

 

,

 

где F- фокусное расстояние линзы,

rF - размер пучка в области перетяжки, учитывающий расстояние от перетяжки излучения в резонаторе до фокусирующей линзы,

ba – определяющий аберрацию характерный размер,

Аа – коэффициент, характеризующий аберрационные свойства линзы [10].

 

,

 

где

n0 – показатель преломления материала линз,

R1,R2 – радиусы кривизны первой и второй поверхностей линз в порядке прохождения их излучением.

 

Размеры пятна в фокальной плоскости rF имеют минимум при [10]

 

.

При реальных для большинства технологических лазеров q ~ 10-2 … 10-4рад, , оптимальное фокусное расстояние фокусирующей системы составит

© 2018
  • Сайт "Литературка"
  • мы собираем различную техническую, образовательную, научную литратуру