книги / Промышленное применение лазеров
..pdfГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
С.А. Белова
ПРОМЫШЛЕННОЕ
ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского государственного технического университета
2007
УДК 621.373.826 (075.8) Б435
Рецензенты:
доктор технических наук, ггрофессор, заведующий кафедрой «Металловедение и термическая обработка металлов» Ю Н. Симонов
(Пермский государственный технический университет)
доктор технических наук, старший научный сотрудник, заведующий кафедрой «Сварочное производство и упрочняющие технологии» Е.Н. Сафонов
(Нижнетагильский технологический институт (ф) УГТУ-УГГИ)
Белова, С.А.
Б435 Промышленное применение лазеров: учеб, пособие / С.А. Белова. - Пермь: Изд-во Псрм. гос. техн. ун-та, 2007. - 288 с.
ISBN 978-5-88151-807-3
Рассмотрено практическое применение лазеров во многих сферах производ ственной и научной деятельности: в измерительной технике, химической промыш ленности, оптических системах связи, вычислительной технике, приборостроении, а также при обработке материалов. Представлены основные характеристики лазер ного излучения как нового универсального инструмента для обработки материалов, кратко изложены физические процессы лазерной технологии.
Предназначено для широкого круга читателейпроизводственников, инженерно-технических работников, исследователей, студентов старших курсов вузов, не имеющих специальной подготовки в области лазерной техники, но желающих работать над решением различных производственных, технологиче ских или исследовательских задач методами и средствами этой новой разви-
и техники.
УДК 621.373.826 (075.8)
Издано в рамках приоритетного национального проекта «Образование» по программе Пермского государственного технического университета «Соз дание инновационной системы формирования профессиональных компетенций кадров и центра инноваг^ионного развития региона на базе многопрофильного технического университета»
ISBN 978-5-88151-807-3 |
О ГОУ ВПО |
|
«Пермский государственный |
|
технический университет, 2007 |
СОДЕРЖАНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................... |
6 |
ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА.................................................................... |
8 |
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ЛАЗЕРОВ.................... |
14 |
1.1. Понятие энергетического уровня............................................. |
15 |
1.2. Виды оптических переходов.................................................... |
21 |
1.3. Индуцированное излучение...................................................... |
23 |
1.4. Инверсная населенность среды и способы ее получения.... |
28 |
1.5. Характеристики лазерного излучения..................................... |
32 |
1.5.1. Монохроматичность лазерного излучения.......................... |
33 |
1.5.2. Когерентность лазерных пучков.......................................... |
34 |
1.5.3. Направленность излучения.................................................. |
35 |
1.5.4. Плотность мощности излучения.......................................... |
37 |
1.5.5. Пространственно-временная структура излучения.............. |
38 |
1.6. Модовый состав лазерного излучения.................................... |
42 |
Контрольные вопросы...................................................................... |
46 |
2. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ЛАЗЕРОВ.................. |
48 |
2.1. Классификация квантовых приборов...................................... |
49 |
2.2. Методы получения инверсной населенности (методы |
|
накачки)...................................................................................... |
51 |
2.3. Типы и конструкции лазерных |
|
технологических установок...................................................... |
64 |
2.3.1. Твердотельные и жидкостные лазеры............................... |
65 |
2.3.2. Газовые лазеры.................................................................... |
85 |
2.3.3. Полупроводниковые лазеры............................................... |
102 |
2.3.4. Коэффициент полезного действия лазерных установок..... |
112 |
2.3.5. Перспективы развития и применения лазеров................... |
114 |
Контрольные вопросы..................................................................... |
124 |
3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ |
|
С ВЕЩЕСТВОМ............................................................................ |
126 |
3.1. Падение на материал и частичное отражение излучения... |
130 |
3.2. Поглощение и нагрев материала............................................. |
132 |
3.3. Плавление и испарение материала........................................ |
136 |
3.4. Образование плазмы................................................................ |
138 |
Контрольные вопросы.......................................... |
141 |
4. ПРИМЕНЕНИЕ ПРИБОРОВ И УСТРОЙСТВ |
|
КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ............................................ |
138 |
4.1. Возможность применения лазеров для обработки |
|
материалов................................................................................ |
143 |
4.2. Применение лазеров в технологических процессах |
154 |
4.2.1. Резка материалов........................................................................... |
156 |
4.2.2. Пробивка отверстий...................................................................... |
169 |
4.2.3. Скрайбирование и термораскалывание.................................... |
176 |
4.2.4. Поверхностная лазерная обработка.......................................... |
179 |
4.2.5. Лазерная сварка............................................................................. |
191 |
4.2.6. Лазерная маркировка................................................................... |
204 |
4.2.7. Проведение измерений............................................................... |
209 |
4.2.8. Лазерохимическое осаждение из газовой фазы..................... |
218 |
4.2.9. Лазерная сварка моделей для литья |
|
по выплавляемым моделям........................................................... |
220 |
4.3. Разработки Института проблем лазерных |
|
и информационных технологий (ИПЛИТ РАН)................. |
222 |
4.3.1. Лазерная модификация поверхности материалов................. |
227 |
4.3.2. Перспективные процессы лазерной сварки............................ |
229 |
4.3.3. Лазерная резка конструкционных |
|
и перспективных материалов....................................................... |
235 |
4.3.4. Лазерная диагностика подповерхностных дефектов........... |
238 |
4.3.5. Лазерная стереолитография....................................................... |
241 |
4.4. Технологии быстрого прототипирования............................. |
241 |
4.4.1. Технология нанесения слоев ламинированного |
|
материала LOM (Laminated Object Manufacturing).................. |
245 |
4.4.2. Лазерная стереолитография SLA |
|
(,Stereo Lithograph Apparatus)....................................................... |
248 |
4.4.3. Селективное лазерное спекание SLS |
|
(Selective Laser Sintering)............................................................... |
253 |
4.4.4. Z-corporation-технология........................................................... |
255 |
4.5. Применение лазерных устройств в других областях.......... |
256 |
4.5.1. Военное дело................................................................................ |
256 |
4.5.2. Лазерная запись и воспроизведение информации............... |
259 |
4.5.3. Использование лазеров в вычислительной технике............ |
260 |
4.5.4. Голография................................................................................... |
260 |
4.5.5. Динамическая балансировка..................................................... |
265 |
4.5.6. Зачистка проводов........................................................................ |
266 |
4.5.7. Исследования загрязнения аъмосферы.................................... |
267 |
4.5.8. Медицина....................................................................................... |
268 |
4.5.9. Научные исследования............................................................... |
269 |
4.5.10. Оптоэлектроника........................................................................ |
273 |
4.5.11. Химия........................................................................................... |
275 |
4.5.12. Производство компонентов электронных схем................... |
277 |
4.5.13. Изготовление фотомасок.......................................................... |
280 |
4.5.14. Радиотехника, радиолокация и радиоастрономия.............. |
282 |
Контрольные вопросы................................................................... |
283 |
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ........................... |
285 |
ВВЕДЕНИЕ
Проблемы современного машино- и приборостроения требуют создания и развития технологий, которые поднимут на качественно новый уровень процесс изготовления изделий. К таким технологи ям следует отнести лазерную обработку, получившую в последние десятилетия интенсивное развитие. С момента создания первого лазера прошло немногим около полувека. За эти годы в нашей стране и за рубежом проведены обширные исследования в области квантовой электроники и создано большое количество различных лазеров и приборов на их основе. Одновременно с разработкой кон струкций лазеров велись поиски областей их применения, особенно для целей лазерной технологии.
Учебное пособие подготовлено для студентов, изучающих раз делы дисциплин, связанные с применением новых прогрессивных методов изготовления заготовок и готовых деталей высокого качест ва: Теоретические основы поверхностного упрочнения. Современные методы исследования, Теория и технология покрытий, Лазерная об работка материалов. Восстановление деталей и отливок, Лазерные технологии в литейном производстве, Специальные методы сварки, Резание материалов, Процессы обработки заготовок, Технологиче ские процессы в машиностроении.
Теоретический материал пособия базируется на знаниях, полу ченных при изучении «Физики» из цикла общих математических и естественно-научных дисциплин.
Основная цель пособия - изучение фундаментальных основ тео рии формирования лазерного излучения, его взаимодействия с мате риалами, устройства лазерных технологических установок, исполь зование лазерных технологий в различных сферах производства и других областях.
Большая часть пособия посвящена уже сложившимся областям применения лазеров. Приведены конкретные примеры, иллюстри рующие потенциальные возможности соответствующих методов. Наряду с этим рассматриваются и новые области применения лазе ров, которые находятся в настоящее время в стадии эксперименталь ного изучения. В их число входят такие, окончательное значение ко торых пока еще полностью не определено, ко которые могут принес ти большие выгоды.
Учебное пособие предназначено лицам, занимающимся кон кретными техническими задачами; лицам, которые хотят знать, ка ким образом лазерная техника может оказать им помощь в решении этих задач. В большинстве изданных ранее книг по лазерам очень хорошо излагаются основы квантовой электроники, но лишь отно сительно небольшое число из них посвящено тому, как использо вать лазеры в промышленности. В данном пособии предпринята попытка более подробно рассмотреть этот вопрос. Безусловно, здесь нельзя найти готовых решений стоящих перед читателем за дач, но можно увидеть, как лазеры используются в тех областях, где они уже нашли применение. Можно надеяться, что такой подход будет стимулировать воображение читателя, который сможет оце нить потенциальные возможности применения лазеров для решения стоящей перед ним задачи.
ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА
Развитие лазеров представляет собой одну из ярких страниц ис тории научно-технического прогресса. В итоге был создан новый тип устройств, потенциальные возможности применения которых чрезвы чайно велики. История развития лазеров начинается с 1917 г., когда Альберт Эйнштейн теоретически обосновал процесс вынужденного излучения, на котором основывается работа лазеров. Вынужденным излучением обусловливается процесс усиления света, в результате ко торого в лазере происходит увеличение интенсивности до очень высо кого уровня. Основные закономерности процесса вынужденного излу чения были теоретически обоснованы также Эйнштейном.
Однако сама по себе формулировка закономерностей процесса вынужденного излучения не привела к немедленному созданию ла зера. В 30-х гг. проведено большое количество исследований в об ласти оптической спектроскопии. В этот период исследовано боль шинство атомных и молекулярных энергетических уровней, которые впоследствии были использованы в лазерах. К 1940 г. информация об энергетических уровнях и технология создания оптических ма териалов оказались достаточными для того, чтобы обеспечить раз работку лазеров. Были сделаны также и основные теоретические предпосылки.
Во время Второй мировой войны основные исследования про водились в сверхвысокочастотном участке спектра электромагнит ных колебаний, и именно в этой области был достигнут существен ный прогресс. Поэтому, очевидно, разработка лазеров шла в какой-то мере окольным путем. В 1954 г. Ч. Таунс (США) него сотрудники создали устройство, получившее название «мазер». Термин «мазер» (maser) составлен из первых букв английского названия этого уст ройства: microwave amplification by stimulated emission of radiationусиление микроволн с помощью стимулированного излучения. Из
вестно, что в то же время и совершенно независимо от Ч. Таунса со трудники Физического института им. Лебедева АН СССР Н.Г Басов
иА.М. Прохоров создали аналогичное устройство, получившее на звание «молекулярный генератор». Это устройство предназначалось для усиления СВЧ-сигналов на основе процесса вынужденного излу чения. В 50-х гг. вопросы разработки мазеров привлекли большое внимание ученых. Однако впоследствии интерес к мазерам снизился,
ив настоящее время они используются лишь в качестве приемников для радиоастрономических исследований.
В1958 г. Ч. Таунс и А. Шавлов сделали предположение, что яв ление вынужденного излучения, которое к тому времени уже нашло практическое применение в мазерах, может быть использовано также в инфракрасной и видимой областях спектра. Это предположение
побудило ученых вновь обратить внимание на исследования в оптической области. Вначале устройство получило название «оп тический мазер». Однако затем это название было заменено более коротким словом «лазер» (laser - сокращенная форма английского выражения Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation).
После этого во многих лабораториях начались работы по соз данию лазеров. Первой практической реализацией идеи следует считать рубиновый лазер, созданный Т. Мейманом (США) в сере дине 60-х гг. Этот лазер излучал импульсы коллимированного света с длиной волны 0,6943 мкм. Довольно примитивный с точки зрения современных стандартов, он сразу привлек к себе внимание науч ной общественности. Импульсный рубиновый лазер обеспечивал получение света с чрезвычайно высокой степенью монохроматич ности, мощность его была очень высокой. Этот лазер впервые вы ступил в качестве источника когерентного излучения в видимой области спектра. После создания первого лазера существенно рас ширился круг лабораторий, которые вели работы в области лазер ной техники.
Первым |
газовым лазером был лазер на смеси гелия |
и неона. |
Он появился |
в 1961 г. Его создание было крупным достижением. |
|
Вначале он |
работал в инфракрасной области на длине |
волны |
1,15 мкм и был первым лазером, работавшим в непрерывном режиме.
В 1962 г. в гелий-неоновом лазере была осуществлена генерация на переходе с длиной волны 0,6328 мкм, и гслий-неоновый лазер стал первым непрерывным лазером в видимой области спектра. Гелийнеоновые лазеры в видимой области спектра продолжают совершен ствоваться до настоящего времени. Они, несомненно, представляют собой наиболее широко распространенный тип лазеров.
В 1962 г. был создан лазер другого типа - полупроводниковый на основе небольшого кристалла арсенида галлия. Его конструкция принципиально отличается от конструкций созданных ранее газовых и рубиновых лазеров.
Наиболее интенсивное развитие лазерной техники приходится на период 1962-1968 гг. В это время были созданы, по существу, все основные типы лазеров и выявлено большинство областей их прак тического использования. Уже на самых начальных этапах была до казана возможность применения лазеров для плавления и испарения небольших количеств металла. В этот же период были выявлены воз можности использования лазеров в системах связи, воспроизводящих устройствах, интерферометрических системах, для голографических целей, а также во многих других областях. На этом этапена лазеры возлагались большие надежды.
Однако до настоящего времени развитие лазерной техники нахо дится все-таки в зародышевом состоянии. Имеющиеся материалы об ладают слишком плохим качеством, а сами лазеры являются весьма хрупкими устройствами с низкой надежностью и малым сроком служ бы. Несмотря на то что давно уже известны основные области приме нения лазеров и оценены потенциальные преимущества их примене ния, уровень развития лазерной техники не обеспечивает надежного выполнения поставленных задач. В ряде случаев это привело к неко торому разочарованию в отношении лазеров. В принципе, весь период вплоть до 1968 г. представляется лишь начальным этапом развития лазерной техники, на котором были выявлены возможности примене ния лазеров, но нс удалось в полной мере осуществить реализацию этих применений. На протяжении указанного периода были созданы все основные типы известных в настоящее время лазеров.