Доклады о будущих и современных технологиях

ЛАЗЕРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ

А. В. Ворона

Научный руководитель - В. В. Морозов, д-р физ.-мат. наук, профессор Ярославский государственный технический университет

Основной физический процесс, определяющий действие лазера, - это вынужденное излучение, которое возникает при взаимодействии фотона с возбужденным атомом при точном совпадении энергии фотона с энер­гией возбуждения атома (или молекулы). Избыток энергии возбужденного атома излучается в виде нового фотона с точно такой же энергией, направ­лением распространения и поляризацией, как и у первичного фотона. При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденными атомами мо­жет возникнуть целый поток идентичных фотонов. Для генерации лазерно­го излучения необходима среда с инверсной населенностью уровней энергии, то есть на верхних уровнях энергии должно находиться больше атомов, чем на нижних уровнях. Это вещества, в энергетическом спектре которых существуют метастабильные уровни (долгоживущие) энергии. Для получения строго направленного луча с высокой монохроматично­стью в состав лазера входит система зеркал - оптический резонатор.

Уникальные свойства лазерного излучения - монохроматичность и малая расходимость обусловливают широкое применение лазеров. Лазер­ные технологические процессы можно условно разделить на два вида. Первый из них использует возможность чрезвычайно тонкой фокусировки лазерного луча и точного дозирования энергии. В таких технологических процессах применяют лазеры сравнительно невысокой средней мощности для сверления тонких отверстий (диаметром 1-10 мкм и глубиной до 10­100 мкм) в различных материалах, для резки и сварки миниатюрных дета­лей в микроэлектронике и электровакуумной промышленности. Мощные лазеры используют в таких энергоемких технологических процессах, как резка и сварка толстых стальных листов, поверхностная закалка, наплавле - ние и легирование крупногабаритных деталей, очистка зданий от поверх­ностей загрязнений, резка мрамора, гранита, раскрой тканей, кожи и дру­гих материалов. При лазерной сварке металлов достигается высокое каче­ство шва и не требуется применение вакуумных камер, как при электрон­нолучевой сварке, а это очень важно в конвейерном производстве.

Мощная лазерная технология нашла применение в машиностроении, автомобильной промышленности. Она позволяет не только повысить каче­ство обработки материалов, но и улучшить технико-экономические пока­затели производственных процессов. Так, скорость лазерной сварки сталь­ных листов тоЛщиНой 14 мкм достигает 100м/ч при расходе электроэнер­гии 10 кВт-ч. Для сравнения, при электроннолучевой сварке при аналогич­ной производительности требуется в 3-4 раза больше электроэнергии.