Диссертация (1095072), страница 5
Текст из файла (страница 5)
В случае низких частот (0,1... 1,026Гц) такие лазеры могут генерировать энергию до 10 Дж/импульс придлительности импульса 100 мкс, развивая пиковую мощность 105 Вт [36]. Однакосредняя мощность излучения даже лучших твердотельных лазеров имеетограничения, связанные с малыми линейными размерами синтетическихкристаллов и низкой теплопроводностью, что затрудняет охлаждение активныхэлементов.
Кроме того, твердотельные лазеры характеризуются большойпространственнойрасходимостьюгенерируемогоизлучения,вызваннойнеоднородностью кристаллического строения либо легирования активногоэлемента.Наиболее широко распространены лазеры на Nd:YAG, генерирующиеизлучение с длиной волны 1,06 мкм. Их использование позволяет осуществлятьинтенсивнуювысокоскоростнуюлазернуюобработку[34].Важнымпреимуществом при работе с такими лазерами является возможность примененияоптоволокна, которое передает излучение.
Периодичность импульсного режимреализуется путем импульсной накачки, как в режиме модуляции добротности,так и в режиме свободной генерации.Современные волоконные лазеры обладают мощностью до 20 кВт, а ихспектральный состав находится в пределах от 1 до 2 мкм [31, 37]. Применениетаких лазеров с современной промышленности для различных целей позволяетработать с широким диапазоном характеристик излучения.В последние годы все чаще и чаще волоконные лазеры постепеннозаменяют на лазеры предыдущих поколений, особенно это явно прослеживается втаких областях их применения, как, лазерная резка, сварка металлов, маркировкаи обработка поверхностей, полиграфия и скоростная лазерная печать.Волоконные лазеры подразделяются по принципу работы на непрерывныеодномодовые лазеры, в том числе однополяризационные и одночастотные;импульсные волоконные лазеры, которые работают в режимах модуляциидобротности, синхронизации мод, а также в произвольном режиме модуляции.Также к данному типу лазеров относятся перестраиваемые волоконные лазеры,27сверхлюминесцентные волоконные лазеры, мощные непрерывные многомодовыеволоконные лазеры.Принцип работы лазера основан на усилении света фотодиода в волокнебольшой протяженности.
По мере совершенствования моделей лазеров накачкупроводилась с торца волокна, при этом усиление происходило за счетмногократного отражения света в волокне, длина которого могла достигать 50 м.Вкачествематериалаволокнаиспользовалсякварц,дополнительноактивированный легированием редкоземельных элементов. Диодная накачкапроводилась в режиме одномодового излучения. Порог генерации таких лазеровсоставляет 10 мкВт, КПД достигает 50 % [34].
В активной среде твердотельноголазера инверсная заселенность создается в активных ионах примесей, которыеспециально вводят в твердотельную матрицу. В качестве таких ионов обычноиспользуют ионы переходных металлов (марганец, хром, никель и кобальт) илиредкоземельных элементов. При наличии электронов на внешней оболочке этивещества имеют незаполненные внутренние оболочки [38].Чтобы повысить мощность волоконных лазеров применяют многомодовуюактивированную накачку и резонатор, который представляет собой зеркала,расположенные на торцах волокна, скрученного в бухту. Длина такого волокнаможет достигать 100 м.
Для еще большего увеличения мощности используюттрехслойноестеклянноеволокно,активированноезасчетлегированияредкоземельными элементами. Требования к мощности волоконного лазера,который применятся для различных технологических процессов, достигаютзначений от 100 Вт до 4...6 кВт. Излучение такой мощности происходит за счетсочетания многокаскадного усиления волокон и объединением мощностиизлучения нескольких лазеров с меньшими мощностями.Принцип построения диодных лазеров [31, 35] состоит в том, что лазерныедиоды со сравнительно небольшой мощностью 40...60 Вт собирают вохлаждаемые водой пакеты, так называемые доски.
Их мощность достигает от 0,5до 4 кВт. Излучение от отдельных лазерных диодов по оптоволокну поступает вфокусирующуюсистему.Выходящийлучимеетпрямоугольнуюформу28площадью около 1 мм2. Максимально достижимая плотность мощности в фокусесоставляет 105...2×105 Вт/см2. Длина волны генерации зависит от используемогоматериала диода и находится в пределах 400...2200 нм.
Для технологическихцелей применяют лазерные диоды с длиной волны 807...940 нм. По сравнению сСО2-лазерами и твердотельными Nd:YAG - лазерами диодные лазеры имеютвысокий КПД (30.. .50 %), малые габаритные размеры и массу, возможностьиспользования гибких световодов [35].В работах [7, 39 - 41] достаточно подробно рассматриваются существующиетипы современных маркировочных твердотельных и волоконных лазерныхкомплексов,применяемыхдлямаркировкиметаллическихматериалов,сравниваются их технологические возможности и технические параметры(таблица 1.3 [39]), представлены модели лазерных установок, наиболее успешносебя зарекомендовавшие для нанесения маркировки на изделия посредствомлазерного излучения. В проанализированных лазерных комплексах использованаодинаковая лазерная сканирующая головка на базе гальванометрическихсканаторов и одинаковый объектив плоского поля [7, 40]. Использование этойсканирующей головки во всех установках обеспечивает перемещение луча в поле100х100 мм с точностью (повторяемостью) контура 2,5 мкм.В работе [39] было установлено, что отпечаток на металле послевоздействиявышеперечисленныхлазерныхкомплексовприодинаковыхзначениях мощности имеет различную форму (рисунок 1.2), в виде круглого илиовальногооплавленногоучасткаповерхности.Отпечаткиправильнойгеометрической формы были получены на твердотельном лазере Д’Марк-06 идвух оптоволоконных лазерах.
Для этих лазеров была установлена взаимосвязьсредней мощности излучения от их технологических параметров (рисунок 1.3)[39]. Из приведенных зависимостей видно, что мощность, равную 2 Вт, можнополучить как на твердотельном лазере Д’Марк-06, так и на двух оптоволоконныхлазерах, задав на них соответственно 24% и 35 % мощности.29Таблица 1.3 – Основные характеристики лазерных комплексов [39]Наименованиелазерногооборудования.ТиплазераД'Марк-06БетаМаркер-2010Nd:YAGДиоМаркер-Д10МиниМаркер-М10YtМиниМаркер-М20Система накачкилазерногоизлучателяполупроводниковая, отдельнымидиодами.ламповая,ксеноновойлампой высокогодавления.полупроводниковая, линейкой совстроеннымоптическимсумматоромполупроводниковая, отдельнымидиодами.полупроводниковая, отдельнымидиодами.Длинаволныизлучения, мкмНоминальнаясредняямощность,ВтДиапазончастотыгенерацииимпульсов, кГцДлительностьимпульса, нс1.0660,1-10040801.06161-2010001101.06101-10010901.061020-100100501.062020-10010060Диаметрлуча вфокусе,мкмРисунок 1.2 Следы от импульса (отпечатки), нанесенные различнымилазерными установками [72]Из приведенных на рисунке 1.4 зависимостей удельной мощностирассмотренных лазерных комплексов видно, что для волоконных лазеровпредотвратить испарение верхнего слоя материала – абляцию и сформироватьслой, содержащий оксидные структуры, можно только на низкой мощности и наматериалах с высокой теплопроводностью (медь М1) и относительно высокойтемпературой плавления (нержавеющие стали, титан ВТ1-0).Для обработки медных сплавов с высокой теплопроводностью подходятустановки ДМарк-06 и ДиоМаркер (прямые 4 и 5 на рисуноке 1.4).
При обработкена других типах лазерных установок вследствие недостаточной импульсноймощности на поверхности инициируется лишь незначительное верхнего слоя30образца, никакого цветного изображения на поверхности формироваться не будет.Таким образом, лазерный комплекс ДМарк-06 является универсальным дляобработки широкого спектра металлических материалов, таких, как нержавеющаясталь, титан, медные сплавы.Рисунок 1.3 – Технологические параметры лазерных комплексов [39]Рисунок 1.4 – Удельная мощность лазерных комплексов в зависимости отих рабочих режимов [39]311.2.1 Физические основы лазерной обработки материалаВзаимодействие падающего потока лазерного излучения с материаломопределяется тремя составляющими – мерой отраженного, поглощенного ипрошедшего излучения [6, 42-45, 107, 109].
Отраженное и прошедшее излучениене отдает энергию материалу, таким образом, маркировка определятсяколичеством поглощенной энергии. Поглощательная способность зависит отдлины волны падающего излучения, которая также определяет мощностьпадающего излучения.В соответствии с рисунком 1.5, с уменьшением длины волны увеличиваетсяэнергия лазерного излучения E=h*с/λ, где, h – постоянная Планка, с – скоростьсвета в вакууме, а λ – длина волны [6, 45]. Чем меньше становится длина волны,тем сильнее снижается отражательная способность материалов, а это приводит, всвою очередь, к тому, что с уменьшением длины волны большее количествоэнергии поглощается обрабатываемым материалом.Поглощенная материалом энергия тратится либо на вибрационное илиэлектронное возбуждение, либо на осуществление фотохимической реакции.Рисунок 1.6 – Зависимость энергии лазерного излучения от длины волны [6]32При вибрационном возбуждении поглощенная энергия фотона вызываетмолекулярные колебания в материале, включая растяжения, изгибы или смещениясвязей между атомами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
