1. Стержневой лазер

Стержневой лазер был первым твердотельным лазером, который широко использовался в промышленности. Генерация лазерного луча происходит в кристаллическом стержне цилиндрической формы. Активную среду возбуждают две разрядные лампы, расположенные справа и слева от стержня. В качестве альтернативы для накачки также использовались и диодные лазеры. Они обеспечивают лучшее качество луча при высокой мощности.

2. Диодный лазер

Диодные лазеры генерируют лазерное излучение непосредственно из электротока. Благодаря этому их КПД превышает КПД дисковых и волоконных лазеров. Для достижения высокой выходной мощности отдельные излучатели обычно соединяются и образуют полоски, планки и стопки с большим количеством диодов для излучения лазерного луча необходимой мощности. Из-за качества луча диодные лазеры пока непригодны для резки, и используются при сварке и пайке.

3. Волоконные лазеры

В волоконных лазерах в качестве активной лазерной среды используются тонкие кварцевые волокна. Для накачки здесь также используются лазерные диоды. Свет накачки преобразуется в лазерное излучение непосредственно в волокне и затем передается для обработки материала. Волоконный лазер, как и дисковый и стержневой лазеры, является твердотельным. В нем также лазерное излучение гибко передается с помощью оптических волноводов.

4. Дисковые лазеры

В дисковых лазерах используются тончайшие кристаллические диски. Излучаемая диодными лазерами энергия накачки концентрируется всего лишь на нескольких миллиметрах, затем энергия накачки направляется в диск, в котором формируется выходное лазерное излучение. Обладая выходной мощностью до 16 кВт и длиной волны один микрон, дисковые лазеры максимально эффективны для резки и сварки тонколистового металла.

Чаще всего лазеры классифицируют по агрегатному состоянию вещества, разделяя на газовые, твердотельные, жидкостные и лазеры на свободных электронах.

С0₂-лазер зарекомендовал себя в металлообработке как надежный и стабильный источник излучения, используется для лазерной резки и лазерной сварки. Длина волны луча С0₂-лазера λ =10,6 мкм. Форма луча на выходе после преобразующей оптической системы и плотность распределения мощности в зоне фокусировки остаются постоянными и не зависят от режимов работы, импульсного или непрерывного, поэтому обра­ботка металлов С0₂-лазером обеспечивает высокое и стабильное качество. Диапазон их выходной мощности 700-20000 Вт. Обладая компактной и прочной конструкцией, а также интерфейсом с открытой архитектурой, лазеры легко встраиваются в уже готовую установку для металлообработки (рис.126, б). Газ внутри резонатора не циркулирует, а остается неподвижным, что при маленьком объеме с большой площадью поверхности позволяет эффективно отводить тепло. Сам резонатор состоит из двух алюминиевых труб, вставленных одна в другую. Они выполняют роль двух электродов. Лазерный луч генерируется между трубами, а его отражение происходит на зеркалах, расположенных в торце. Благодаря такой конструкции лазерный луч при многократных отражениях остается параллельным даже при тепловой деформации труб, появляющейся из-за нагревания.

Твердотельные лазеры, если их сравнивать с С0₂, широко используются в промышленности недавно. Одна из главных причин, сдерживающих их применение - это низкий КПД.

Технология волоконных лазеров имеет луч с выходной мощностью 200, 300, 400 Вт и высочайшим качеством, применяют в задачах, где необходимым техническим решением является сфокусированное пятно диаметром от 10 до 50 мкм. Это сварка в изделиях электроники, изготовление медицинского оборудования, прецизионная обработка материалов. Корпус в 19-дюймовом исполнении содержит все необходимые для работы источника компоненты: лазерный генератор, блок питания, блок управления и т.д., что позволяет легко интегрировать источник в стандартные стойки.

Увеличение длины и уменьшение диаметра - технология волоконного лазера, а увеличение диаметра и уменьшение длины - технология дисковых лазеров. Качество луча волоконных лазеров определяется волноводными свойствами волокна, разностью показателей преломления между жилой и покрытием, а также внутренним диаметром.

Особенность технологии волоконных лазеров, выделяемых в отдельную группу и являющихся твердотельными, заключается в том, что накачка происходит в оптоволокне диаметром несколько сотен микрон. Однако существует предел плотности мощности, за границами которого могут возникать нелинейные оптические эффекты, затемнение волокна, и в конечном счете, его старение.

Дисковый лазер, так же как и волоконный, характеризуется большим отношением площади охлаждаемой поверхности к коэффициенту усиления лазера. Качество луча дискового лазера, с другой стороны, зависит от конструкции резонатора.

Дисковые лазеры (рис.126) в силу своей конструкции нечувствительны к обратному отражению. Их семейство представляет собой источники с λ=1030 нм, работающие в непрерывном режиме генерации с выходной мощностью излучения от 1 до 16 кВт. Рабочий кристалл выполнен из плоского кристалла диаметром несколько миллиметров и толщиной в несколько сот микрометров. Это исключает появление тепловой линзы и позволяет получить высокую выходную мощность в сочетании с высоким качеством луча. В качестве накачки используют линейку диодных лазеров. КПД такого источника составляет 25% на обрабатываемой поверхности с учетом потерь эффективности на всех электрических и оптических компонентах, включая охладитель, блок управления, оптическую разводку, оптоволоконный кабель и рабочую оптику. Отметим, что общая занимаемая площадь, например, 4 кВт источника составляет всего около 1,5 м².

Конструкция дискового лазера применяют в качестве инструмента для лазерной резки или сварки тонкого листа, глубокой сварки для машиностроения, гибридной лазерной сварки или сварки при помощи сканирующей оптической головки.

В производстве и ремонте инструмента и пресс-форм лазерная сварка завоевала высокое признание в силу того, что термическая нагрузка на обрабатываемую поверхность настолько мала, что позволяет избежать образования дефектов. Поэтому необходимость предварительного нагрева возникает редко. Для решения этих задач используют лазеры, работающих в импульсном режиме с регулированием добротности. Средний показатель мощности таких лазеров от 40 до 550 Вт при максимальной мощности импульса вплоть до 10 кВт.

Для обработки металлов применяются установки на основе твердотельных и газовых СО₂-лазеров, работающих в непрерывном и в импульсно-периодическом режимах излучения. Для интенсификации процесса в зону обработки подается под давлением струя газа. Скорость резки зависит от параметров газа - состава, расхода и давления.

Для лазерной резки выделяют основные факторы, определяющие производительность и качественные показатели процесса:

- мощность лазерного излучения;

- плотность мощности зависящей от мощности и площади пучка на поверхности обрабатываемой заготовки;

- фокусное расстояние;

- скорость реза;

- состав, свойства и толщина обрабатываемого металла;

- диаметр, конфигурация сопла для подачи газа и расстояние от среза сопла до поверхности материала, определяющие параметры и динамику струи газа;

- давление и состав газа.

Качество резки определяется показателями (рис.127) - отклонение от заданной линии реза, шероховатость поверхности реза, ширина реза, отклонение ширины реза, радиус оплавления верхней кромки R, протяженность зоны термического влияния В, количество грата (наплывы на нижней кромке металла). Размерная точность определяется погрешностями несущей системы станка, исполнительных органов, системы управления.

Получение готовых деталей с помощью лазерной резки осуществляется на лазерных технологических комплексах, позволяющих в зависимости от назначения и состава входящих в него устройств обрабатывать изделия сложной плоской и объемной формы.