Лазерная сварка

Лазерная сварка

Лазер или ОКГ – оптический квантовый генератор когерентного монохроматического излучения. Что означают эти понятия? Придется вспомнить физику.

Современные понятия в физике наделяют элементарные частицы света (фотоны) свойствами либо волны, либо корпускул (частиц), так как свет проявляет свойства волны в одном случае – при явлениях интерференции и дифракции. В другом случае свет проявляет квантовые свойства. Например, в случае явления фотоэффекта о свете можно говорить, что он состоит из частичек, т. е. квантов. Однако квантовый и волновой подходы к природе света не противоречат свойствам света, а успешно дополняют друг друга.

В соответствии с постулатами квантовой физики любое вещество состоит из атомов и молекул. Каждая система атомов (молекул) обладает изначально запасами внутренней энергии. Атомы и молекулы вещества образуют так называемые микросистемы.

Микросистемы подчиняются законам квантовой механики и обладают основным свойством квантовых систем – дискретностью (т. е. прерывистостью) их энергетических состояний. Иначе говоря, энергия этих микросистем изменяется как бы скачками и принимает лишь некоторые определенные значения – энергетические уровни. Атомы (молекулы) веществ в микросистемах тоже находятся на определенных уровнях энергии, а переход с одного уровня на другой совершается мгновенно, скачком. Переход атома на верхний уровень сопровождается поглощением фотона света (т. е. кванта), а при переходе атома на нижний уровень энергии – выбросом фотона света или его испусканием. При этом энергия поглощенного испускаемого фотона равна разности энергий уровней атома, между которыми совершается квантовый скачок.

При естественных условиях атомы вещества самопроизвольно (спонтанно) переходят с уровня на уровень, излучая или поглощая кванты света – фотоны, например, при излучении света в электрической лампочке.

Предположим, имеется вещество, состоящее из атомов с энергетическими уровнями Е₁, и Е₂, причем Е₁ меньше Е₂. При облучении вещества, атомы которого находятся на уровне Е₂, фотонами с энергией Е=(Е₂ – Е,) атомы вещества могут перейти обратно на уровень Е₁. При переходе происходит выброс фотонов, т. е. вынужденное излучение света. Появившийся новый фотон света будет точной копией того фотона, который вызвал его появление. Это явление и есть когерентность. Далее появление нового фотона света приводит к образованию двух таких же фотонов (рис. 11).

Рис. 11.

Схема поглощения кванта света (а) и вынужденного испускания света (б)

При определенных условиях, если среда является активной, процессы вынужденного излучения фотонов преобладают над процессами поглощения, процесс переходит в лавинообразное испускание вторичных фотонов. Но фотоны света испускаются во всех направлениях. Чтобы упорядочить процесс генерации лазерного излучения в заданном направлении, используют оптические резонаторы. Оптический резонатор – это два зеркала с общей оптической осью, которая фиксирует в пространстве направление лазерного луча.

Направление генерации лазерного излучения обозначено на рис. 12 стрелкой.

Рис. 12.

Развитие фотонной лавины вдоль оси резонатора О—О:

а – начало процесса; б – конец процесса

Спонтанные фотоны, случайно родившиеся в направлении О—О, будут проходить внутри активного элемента относительно длинный путь, который многократно увеличивается вследствие отражения от зеркал резонатора. Взаимодействуя с возбужденными активными центрами, эти фотоны, набирая энергию, инициируют мощную лавину вынужденно испущенных фотонов, которые образуют лазерный луч. Спонтанные фотоны, которые родились в других направлениях, равно как и соответствующие им лавины вторичных фотонов, пройдут внутри активного элемента сравнительно короткий путь и выйдут за его пределы.

Таким образом, зеркала оптического резонатора выделяют в пространстве определенное направление, вдоль которого реализуются наиболее благоприятные условия для развития фотонных лавин. Это и есть направление лазерного луча, который выходит из резонатора через одно из зеркал. Для облегчения процесса выхода одно из зеркал делают частично прозрачным для лазерного излучения.

Принципиальная схема лазера проста и показана на рисунке 13.

Теперь осталось ответить на вопрос о монохроматичности лазерного излучения.

По-гречески – «монос» означает «один», а «хромос» значит цвет. Таким образом, монохроматичность означает, что луч лазера – одноцветный. В физическом плане высокая монохроматичность проявляется в том, что луч лазера имеет практически одну длину волны. Элементарные волны света («волновые цуги») кроме монохроматичности идеально когерентны, т. е. распространяются в одном и том же направлении, имеют одинаковую длину волны и находятся в фазе друг с другом.

Высокая степень когерентности позволяет сфокусировать лазерный луч в пятно, равное длине волны излучения – т. е. порядка 1–10 микрон.

Если мощность лазера, например на основе СО₂–1 кВт, сфокусировать на площадке диаметром в 1 мм, то получим интенсивность лазерного луча 10⁵ Вт/см².

Эта очень высокая концентрация тепловой энергии позволяет испарять все земные элементы и естественно сваривать при определенных условиях металлы. Современные лазерные установки способны выстреливать эту колоссальную мощность за доли секунды в импульсе.

Остается добавить, что в качестве активных сред можно использовать:

• кристаллы (искусственные или естественные);

• специальные стекла;

• полупроводники;

• жидкие среды (растворы специальных красителей);

• газовые среды.

В соответствии с используемой активной средой лазеры подразделяют на твердотельные, жидкостные и газовые.

Рис. 13.

Принципиальная схема оптического лазера:

1 – активный элемент;

2 – непрозрачное зеркало;

3 – полупрозрачное зеркало;

4 – устройство накачки.

Вернемся к рисунку 13. Для чего используется накачка и что это такое? Когда говорят о накачке, то подразумевают введение энергии извне внутрь квантовой системы для возбуждения энергетических уровней, о чем говорилось выше. Можно еще сказать, что накачка необходима для возбуждения активной среды лазера.

Энергетическая накачка активных элементов лазера производится в импульсном или постоянном режиме. В импульсном режиме используются специальные лампы-вспышки, а в постоянном режиме – специальные лампы-осветители.

В сварочной технике применяют, в основном, твердотельные лазеры на кристаллах неодима с гранатом, неодимовых стеклах, на кристаллах рубина. В них применяется оптическая накачка с помощью ксеноновых ламп.

Используются для сварки и газовые лазеры. Мощные газовые лазеры изготавливают на основе газовых смесей с применением углекислого газа – СО₂. Для газовых лазеров применяют в качестве энергетической накачки электрический высоковольтный разряд.