3.9 Лазерні установки

Принцип дії лазерних установок полягає в перетворенні енергії електричного струму в енергію світлового сфокусованого випромінювання. Джерелом світла в лазерних установках є квантові генератори (лазери), які поділяються на твердотілі з оптичним збудженням, напівпровідникові, рідинні і газові.

Основними елементами лазерної установки є: джерело живлення, активне середовище, відкритий резонатор, джерело збудження з системою керування. У твердотілих лазерних установках з оптичним збудженням як активне середовище застосовується рубін (оксид алюмінію з домішками 0,5 % тривалентного хрому), неодимове скло, у газових – вуглекислий газ з домішками азоту і гелію, аргон, неон, криптон.

Рис. 45. Блок-схема лазерної

технологічної установки

Найбільшого розповсюдження для технологічних цілей отримали твердотілі лазери з оптичним збудженням, про принцип дії яких можна судити за блок-схемою установки, яка наведена на рис. 45. Імпульсна газорозрядна лампа 3 (лампа накачування), яка отримує живлення від джерела постійного струму 1 і накопичувального конденсатора 2, створює імпульси монохроматичного світла, яке підсилюються всередині еліптичного відображувача 4 резонатора і створюють імпульсний потік. В зв'язку зі значною питомою енергією випромінювання, яке виходить з лазерної головки 5, передбачена система її охолодження 6.

Система фокусування 7 лазерного променя 8 забезпечує отримання імпульсної щільності потоку енергії в 10¹⁵ Вт/см, що викликає руйнування молекулярних зв'язків в зоні дії променя на оброблюваній деталі 9. На систему керування 12 блока підпалювання 13 впливають програмні пристрої 11 і 15 відповідно координатного столу 10 і енергії лазерного променя через індикатор 14.

Лазерні установки мають низький к.к.д., який становить декілька відсотків, складне конструктивне виконання, але дуже високі концентрації імпульсної потужності (до 1-10 ТВт), локальність впливу, безконтактне введення енергії в зону обробки, стерильність введення енергії забезпечує їх використання як у промислових технологічних установках, так і в мікроелектроніці та медицині.

Можливість використання лазерного випромінювання для розмірної обробки матеріалів витікає з оцінки густини енергії, яка може бути в ньому реалізована. Так, наприклад, в лазерах з рубіновим стрижнем середніх розмірів можна отримати потужність 10⁹ Вт при тривалості імпульсу порядку 10^-9 с, що не є межею можливого. Зазвичай густина потужності лазерів складає 510¹²-10¹³ Вт/м². Це випромінювання концентрується за допомогою фокусувальних оптичних пристроїв до перерізу порядку 10^-4-10^-3 см в діаметрі; в цьому випадку густина потужності лазерного випромінювання може досягати 10¹⁹-10²⁰ Вт/м². Чим менша тривалість імпульсу при заданому значенні енергії лазерного випромінювання, тим сильніше виражений ефект його руйнуючої дії.

Лазерне випромінювання найбільш доцільно використовувати при обробці непрозорих дуже твердих і тугоплавких матеріалів. Також лазерні установки використовуються для руйнування гірських порід в тунелях, для зварювання з різними матеріалами, для загартовування і поверхневого зміцнення металевих виробів, отримання тонких плівок, прискорення хімічних реакцій тощо.

Потужність імпульсних джерел живлення становить декілька кіловат, напруга живлення 220 або 380 В змінного струму.

За надійністю живлення лазерні установки належать до споживачів першої і другої категорій.

Контрольні питання до підрозділу 3.9

1. Який принцип роботи лазерних установок ?

2. Які основні елементи твердотілих лазерів з оптичним збудженням ?

3. Яка галузь застосування лазерних установок ?