СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ И РЕЗКИ

Лазерная сварка-резка. Физическая сущность лазера

Когерентное излучение и его особенности. Распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле называется электромагнитными волнами. При распространении любой элект­ромагнитной волны (включая свет) в пространстве создается че­редующееся электрическое поле напряженностью Е и магнитное поле напряженностью Я, изменяющиеся в пространстве и во вре­мени:

Е = Е0 sin [2jt(W - х/Х) + ф]; Я = Я0со8[2л(у/ - xfk) + ф],

где Е(] и //0 — амплитуды волн; v — частота; X = с/м — длина волны (где с — скорость света); х — направление распространения волны в координатах XOY; ф — фаза.

Электромагнитная волна называется монохроматической, если компоненты векторов Е и Я электромагнитного поля совершают гармонические колебания одинаковой постоянной частоты v и длины А. и не зависят от времени t. Если амплитуда, частота, фаза, направление распространения и поляризация электромагнитной волны постоянны или изменяются, но не хаотически, а упорядо­ченно, то такая волна когерентна. Строго монохроматическая волна всегда когерентна.

Взаимная когерентность двух волн означает, что они обладают одинаковым набором частот и разность их фаз ф постоянна во времени (не зависит от времени). Обычный полихроматический свет, излучаемый нагретыми телами, состоит из набора большого числа гармонических колебаний, имеющих различные частоты, фазы которых хаотично изменяются во времени. Две волны назы­ваются некогерентными, если разность их фаз изменяется с тече­нием времени.

Основы работы лазера. Переходы электрона ё в атоме с верх­него энергетического уровня Е2 на нижний Ех с испусканием из­лучения могут происходить под влиянием внешнего электромаг­нитного поля. Такое излучение является вынужденным, или инду­цированным. Вероятность индуцированного излучения резко воз­растает при совпадении частоты электромагнитного поля с соб­ственной частотой излучения возбужденного атома.

В результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном получаются два одинаковых по энергии и направлению движения фотона-близнеца (рис. 5.1). Согласно волновой теории атом излу­чает электромагнитную волну, совершенно одинаковую по на­правлению распространения, частоте, фазе и поляризации той, что вынудила атом излучать. Особенностью индуцированного из­лучения является то, что оно монохроматично и когерентно. Это свойство положено в основу устройства лазеров.

Устройства для генерации излучения в диапазоне ультракорот­ких радиоволн назвали мазерами. Устройства, работающие в опти­ческом диапазоне, — лазерами (оптическими квантовыми генератора­ми, или ОКГ). Оптический квантовый генератор — лазер (laser — акроним английского названия light amplification by stimulated emission of radiation — усиление света индуцированным испусканием излу­чения).

По аналогии с квантовой теорией энергия элементарных излу­чателей может изменяться только скачками, кратными некоторо­му значению, постоянному для данной частоты излучения. Мини­мальная порция энергии называется квантом энергии:

w-hv,

где h — постоянная Планка, v — частота излучения.

В любой микросистеме, включающей в себя молекулы, атомы, ионы и электроны, их движение и ориентация соответствуют дис­кретному ряду энергий, энергетическим состояниям или уров­ням, поэтому внутренняя энергия системы квантована. Электро­магнитные колебания, взаимодействуя с микросистемой, изме­няют ее внутреннюю энергию. При этом частицы совершают пе­реход с одного энергетического уровня на другой. Энергия поля излучения также квантована, а обмен энергией между полем и системой может происходить только дискретно. Оптический гене­ратор представляет собой резонатор, в который помещена актив-

ная среда, содержащая атомы в возбужденном состоянии. Обычно отдельные возбужденные атомы переходят спонтанно на более низкие энергетические уровни независимо друг от друга. Поэтому свет, излученный всей группой атомов, некогерентен.

В оптическом генераторе атомы совершают этот переход не спонтанно, а упорядоченно по отношению друг к другу. Эта фази - ровка колебаний атомов обусловлена индуцированным испуска­нием излучения и наличием резонатора. Когда переход возбуж­денного атома на более низкий уровень индуцируется квантом света, то этот атом излучает фотон тех же частоты и фазы, что и индуцирующий фотон, испущенный каким-либо другим атомом. Это позволяет сфазировать колебания атомов между собой, а с другой стороны — когерентно усиливать свет.

Любой квант света, возникший в результате спонтанного пе­рехода с верхнего уровня на нижний, будет размножен индуци­рованным испусканием той же частоты других возбужденных ато­мов. Таким образом, образуется лавина фотонов, что дает мощное когерентное излучение высокой степени монохроматичности.

Роль резонатора сводится к тому, что он из всего возможного спектра колебаний выделяет только те типы колебаний, на кото­рые настроен. Для успешной работы этого механизма усиления света необходимо, чтобы число индуцированных переходов с ис­пусканием фотонов было больше числа переходов с поглощением фотонов той же частоты. Для этого необходимо, чтобы число ато­мов на верхнем (метастабильном) уровне было больше числа ато­мов на нижнем (основном) уровне. Такое состояние системы ато­мов называется состоянием инверсной (обращенной, большей чем на основном уровне) заселенности (или отрицательной темпера­туры) по этим двум уровням. В оптических генераторах активная среда представляет собой такую систему (см. рис. 5.1).

Для получения активных атомов, т. е. находящихся в состоянии инверсной заселенности, пользуются разными методами. Если активная среда — твердое тело, то применяют метод оптической накачки (создания инверсной заселенности на верхнем метаста­бильном уровне). Рабочее вещество обычно представляет собой кристалл-основание с примесью люминесцирующих атомов, име­ющих по крайней мере три или четыре уровня (трех - или четырех­уровневые системы). Сущность оптической накачки состоит в сле­дующем. Атомы из основного состояния Ех возбуждаются сначала на более высокий уровень Ег с помощью мощного «накачиваю­щего» света, а затем быстро переходят на рабочий уровень Е. Поэтому при достаточно большой мощности накачки число ато­мов на уровне Е2 соответственно превысит число атомов на уров­не Ei и наступит состояние инверсной заселенности. Причем в случае четырехуровневой системы требуется меньшая мощность, чем в случае трехуровневой системы.