Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 79
Текст из файла (страница 79)
Но, наряду со сферой лазерного вооружения, существуют и вполне мирные области применения лазеров, в том числе в целях оформления разнообразных представлений, шоу и т. п. Можно упомянуть также обеспечиваемую лазерами возможность измерения перемещения континентов с точностью до сантиметров и определения расстояния от Земли до Луны. Полупроводниковые лазеры и лазеры на стекле внесли неоценимый вклад в дело развития и усовершенствования существующих средств связи, а лазерные лучи высокой мощности успешно применяются при обработке материалов и в хирургии.
Голография со светом лазера открывает новые перспективы в области распознавания образов, а также трехмерного воспроизведения и обработки объемных и цветных изображений. Ниже мы на конкретных примерах рассмотрим некоторые области применения и перспективы развития лазерной техники. 23.1. Передача информации по стекловолокнам Тонкое стекловолокно диаметром в несколько тысячных долей миллиметра способно передавать световую волну, генерируемую лазером как передатчиком, на расстояния до 100 км (рис. 23.1). Соединенные промежуточными усилителями стекловолоконные кабели осуществляют связь между континентами через моря и океаны, «Запитанный» в стекловолокно свет лазера полностью отражается от стенок с минимальными потерями на поверхностях.
В целях минимизации уширения импульсов на основе разности времени распространения используются одномодовые оптические волокна с диаметром сердцевины до единиц микрометров. В качестве передающих устройств при этом служат полупроводниковые лазерные диоды (инжекционные лазеры). Передача информации по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС) может осуществляться на огромные расстояния. Информация «прикладывается» к свету посредством подходящей модуляции, а в конце стекловолоконной линии световой сигнал вновь детектируется оптоэлектронным способом и преобразуется в электрический сигнал.
Преимушество такой системы по сравнению с традиционными способами передачи информации заключается в том, что стекловолокна с лазерами в качестве передатчиков обеспечивают чрезвычайно высокую пропускную способность каналов передачи. Объединив в кабели 10 или даже 100 стекловолокон, можно одновременно включить свыше 1000 телевизионных каналов или, например, также 23.1. Передача информации по стекггзыолокнам 377Ъ 1000000 зелефонных линий.
Подобные спосооы применения в информационных технологиях находятся в настояцгее время в центре развития лазерной техники и современной оптики. 'С 378 ь зз.об р р р р 23.2. Лазерная обработка материалов Когда лазерный луч попадает на металл или другой материал, энергия излучения поглощается, и металл нагревается.
В случае сильного поглощения энергии вещество плавится и испаряется, и эти тепловые процессы можно успешно применять для обработки самых разных материалов (см. таблицу 23.1). Нагревание стали, например, приводит к тому, что изменяется ее кристаллическая структура: происходит то, что называют закалкой стали. Далее, инициируемое лазерным излучением плавление используется для сварки. При сверлении и резке материала достигается его локальное испарение.
Испарившееся вещество можно вновь наносить с целью образования тонких слоев из благородных металлов, пассивации или получения коррозионностойких покрытий. Такие процессы по нанесению покрытий могут осуществляться с применением лазеров также на основе жидкой или газообразной фаз. Это те направления разработок, которые имеют огромное значение, в частности, для активно развивающейся области микротехнологий. Если при нанесении покрытий лазеры пока только проходят испытания, то для сварки, резки, сверления и закалки они давно используются в промышленном масштабе. таблниа ЗЗЛ. ФИЗИЧЕСКИЕ ПрОцЕССЫ ПрИ ЛаЗЕрНОй ОбрабОтКЕ МатЕрнаЛОВ,ЕЕ достоинства и недостатки по сравнению с другими способами Закалка, модификации поверхности Сварка, легирование Сверление, маркировка, резка, нанесение покрытий Нагревание Плавка Испарение Изготовление деталей любых форм Обработка твердых материалов Отсутствие износа инструмента Возможность микрообработкн Гибкая проводка с волокнами Применение автоматизированных систем Высокие инвестиционные затраты Наличие ряда особых требований к конструкциям и материалам.
Специальные правила обращения Преимущества Недостатки которые в комплексных сетях при больших объемах информации становятся все дороже. В качестве альтернативы сейчас разрабатываются фотонные, то есть чисто оптические распределительные системы. Оптические волноводы приобретают все большее значение при создании соединений электронных и механических узлов для межучрежденческой связи, а также для обеспечения связи в самолетах, автомобилях, бытовых приборах, аудио- и видеотехнике. В частности, использование полимерных оптических волокон позволяет получить более дешевые и надежные соединения для эффективной передачи данных и сигналов.
Здесь могут быть реализованы как двунаправленные линии, так и комплектные сети, причем, учитывая высокие скорости передачи, предпочтение отдается, прежде всего, стекловолокнам. 22.2. Л и Рр Р р тктт) При использовании света лазера для обработки материалов плотность мощности и время облучения должны соответствовать выбранному способу обработки. При низкой плотности мощности и длительном времени облучения большой объем вещества нагревается на основе теплопроводности. При высокой плотности мощности и коротком времени облучения материал нагревается только в зоне падающего лазерного луча, и потери в результате теплопроводности не столь велики.
Во время прохождения импульса лазера длительностью гтеплопроводность приводит к прогреванию материала на глубину: с(= /4/с~, (23.1) где 24 есть удельная теплопроводность облученного вещества. С 24=0,13 см' см для стали эта глубина проникновения при облучении импульсом 20 нс составляет: бт=! 1О-4см. При облучении импульсом 1 мс данный показатель увеличивается до 2 1О-'см. Глубина оптического проникновения лазерного излучения (обратная показателю поглощения) у металлов находится на уровне всего 10-'см.
Фазовые переходы веществ связаны с изменением их физических свойств. Так, при переходе от твердой фазы к жидкой поглощение увеличивается, а удельная теплопроводность падает. В результате — при постоянной мощности облучения — быстро растет температура. Поэтому плотности мощности, с которыми должно достигаться расплавление вещества без испарения, подлежат критической настройке. На рис. 23.2 приведены плотности мощности лазерного излучения в зависимости от времени облучения для разных процессов обработки. Границы диапазонов здесь невозможно обозначить точно, ибо они зависят от типа используемого лазера и обрабатываемого материала.
2О и й 20 и в ~О 2 об О Х 2 об Рие. 23.2. ПЛОтНОСтИ МОщНОСтИ и длительности импульсов для обработки материалов с помощью лазеров. 2о-т та-б то-5 2о-4 ,о-З зо-2 Длительность импульса, сек СО,-лазеры используются, прежде всего, для обработки средних и крупных заготовок. Речь идет при атом об относительно больших устройствах объемом в несколько кубометров (рис.
23.3). Преимушества по сравнению с другими способами обработки материалов состоят, например, в том, что здесь можно вырезать в листовом металле любые профили. С традиционными способами пришлось бы для каждой операции резания конструировать весьма сложные листовые штампы. '~ ЗйО Глава тЗ. ГХиасти нрииенения и лереаентливыризвитияяизерав ф Лазер же предсгавляег собой универсальный прибор, легко настраиваемый и способный удовлезворять самым разным требованиям. На рис.
23.4 приведены некоторые сведения о лазерной сварке. При работе со стальными листами достигаются скорости сварки порядка нескольких метров в минугу. Лауернни нун й" ",'«'',,'««„» "' „«'; " «„а 4 "","" „« ",,,;,,ай г» ей,' плазменных или электронных лучей. Лазерное излучение фокусируется вплоть до микрометрового диапазона, легко проводится через зеркала или кварцевые волокна и поэтому отлично совместимо с промышленными роботами для обеспечения движения пучка. В отличие от классических методов — обточки, фрезерования и другой обработки резанием, лазеры функционируют практически без износа инструментов и способны обрабатывать даже очень хрупкие и твердые материалы. В силу этих и многих других причин лазеры все интенсивнее внедряются в промышленное производство.
Ограничение здесь может быть только одно — инвестиционные затраты. На сегодняшний день во всем мире действует около 50000 лазерных установок. Потенциал возможностей обработки с применением лазерного луча этим еше далеко не исчерпан. Ежегодный рост в данной области составляет свыше 10 %, и в 2004 году доля рынка в отношении источников лазерного излучения для обработки материалов достигла почти 1,5 миллиардов долларов США. 9 14О го о Рис. 23.4. Скорость сварки 0 1 г 5 4 5 Б с применением СО,-лазера высокой Толщина листового металла, мм энергии излу ченил Комплектные механизмы для лазерной обработки с указанием диапазона мощности от 100 Вт до 40 кВт предлагаются сейчас многими производителями.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
