И вновь я предлагаю вам окунуться в мир всемогущего света, который мы – люди, пытаемся приручить. Несмотря на то, что времени прошло совсем немного (с 60х годов двадцатого века), человечество значительно продвинулось в этом вопросе. Итак, продолжим, тема на сегодня – типы лазерных систем.
Логично предположить, что классификация лазеров основывается на типах активной среды (кто не помнит, что это – вам сюда). Ведь в разных проводниках энергия распространяется и возбуждается по-разному. Можно сказать, что активная среда – это основная характеристика лазерной системы.
Все лазеры можно разделить на три основные группы: твердотельные, газовые и полупроводниковые.
Твердотельные лазеры – это системы, в которых активное вещество твердое. Активные элементы изготавливаются в виде стержней с отполированными торцами и тщательно обработанной поверхностью. Обычно, это кристаллы рубина, граната, а также различные виды стекла. В качестве источников накачки применяются лампы прямого действия (ксеноновые, криптоновые, ртутные, галогенные). Лазеры этого типа могут достигать больших мощностей, особенно в импульсном режиме работы. Проблема в том, что в этих системах большое значение имеет теплопроводность активного элемента. Но в определенных областях, эти лазеры до сих пор с успехом работают – в том числе используются и в промышленности (лазерная сварка, резка металла). Твердотельные лазеры активно применяются в фундаментальных научных исследованиях, оптике, медицине.
У газовых лазеров активное вещество находится в газообразном состоянии. Накачка производится с помощью электрического заряда. Существует две разновидности: газодинамические CO2-лазеры и эксимерные. СО2-лазеры представляют для нас наибольший интерес, так как они активно используются при обработке металлов. Особенно эффективны так называемые щелевые СО2-лазеры. Они обеспечивают суперимпульсные режимы излучения, при которых световой поток состоит из импульсов 10-20кГц (напомню: 10 000 – 20 000 колебаний в секунду). Это условие обеспечивает 2х а то и 3х-кратное увеличение мощности на выходе. А это, в свою очередь, как нельзя кстати при резке металлов. К тому же важным преимуществом газовых лазеров является относительная дешевизна и простота использования активного вещества. Для наглядности привожу изображение СО2-лазера немецкой фирмы Rofin, мощностью до 10 кВт.
И наконец, полупроводниковые лазеры – наиболее многочисленное и, на мой взгляд, интересное семейство. Вы наверное удивитесь, но активное вещество в таких системах – полупроводник. Благодаря этому полупроводниковые лазеры отличаются от всех других типов на более фундаментальном уровне. Дело в том, что излучающие переходы происходят здесь между двумя широкими энергетическими зонами, а не между различными энергетическими состояниями электрона. Поэтому излучение здесь намного шире, чем у газовых и твердотельных. Основные преимущества полупроводниковых лазеров – максимальная компактность и высокий КПД. Применяются они в спектроскопии, оптико-волоконных линиях связи, оптико-электронике, робототехнике, системах пожаробезопасности. И все бы хорошо, да только мощности выходной поначалу было маловато для обработки материалов (я уж молчу о металлах).
Ситуацию исправили волоконные лазеры (это тоже семейство полупроводниковых), которые сочетают в себе компактность и КПД с мощностью твердотельных лазеров. В волоконных лазерах активное вещество – кристалл полупроводника с сердцевиной диаметром 6-8 мкм (напоминаю: 0,006 – 0,008 мм) и длиной в несколько десятков, а то и сотен метров. В качестве накачки используются лазерные диоды, излучение которых распространяется по всей длине активного полупроводника. Благодаря этому достигается невероятная эффективность – до 80%. Это самый высокий показатель из представленных систем. Помимо всего прочего, чрезвычайно тонкое активное вещество позволяет получать идеально тонкий лазерный пучок на выходе и добиваться гораздо большей глубины резкости по сравнению с твердотельными системами. К тому же, благодаря высоким качественным характеристикам, лазерный пучок становится более управляемым. Система в целом очень стабильна, исключаются проблемы связанные с термоискажениями кристалла, как в твердотельных системах.
Волоконные лазеры очень технологичны, имеют большой ресурс работы и не нуждаются в обслуживании при эксплуатации. Именно поэтому эти лазеры востребованы сейчас в промышленности, в частности – в системах лазерной резки металла. Здесь правит балл компания IPG Photonics (НТО ИРЭ-ПОЛЮС)
Да-да, волоконные лазеры – наша отечественная разработка. Наши замечательные ученые: В.П. Гапонцев и И.Э. Самарцев представили первый такой лазер в 1990 году. Несмотря на то, что выходная мощность того лазера была всего 2 Вт, это был величайший технологический прорыв, настоящий триумф отечественной технической науки. Уже через год Гапонцев и сотоварищи представили волоконный лазер мощностью 3,9 Вт. На сегодняшний же день максимальная выходная мощность волоконных лазеров составляет 100 кВт! И это не предел, мощности постоянно растут. Ну а IPG Photonics Corporation сейчас международная корпорация с офисами и производствами по всему миру, и в Америке есть, и в России (г Фрязино, МО). Конечно жаль, что без внешних инвестиций не обошлось, но повод гордиться есть – это точно! Да и вспомните 90-е года… Хорошо, что Гапонцев совсем в Америку не уехал.
Еще я не упомянул довольно экзотические, на мой взгляд, жидкостные лазеры. В качестве активной среды у таких лазеров – жидкость с добавлением специальных органических красителей. Интересно, что источником накачки в таких системах является твердотельный лазер. С помощью жидкостных лазеров можно получить большие выходные мощности в импульсном режиме. Малый КПД здесь с лихвой компенсируется дешевизной активного вещества. Главный плюс, таких систем широкие возможности контроля выходного излучения – плавность настройки, если хотите. Так что в некоторых областях такие лазеры незаменимы. К основным нелостаткам можно отнести громоздкость подобных систем, чрезвычайно малые мощности при постоянном излучении и низкий КПД.
Итак, я представил вам основные типы лазерных систем. Надо сказать, что у каждого вида есть множество подвидов и в придачу великое множество нюансов, но передо мной сегодня стояла задача обозначить основные группы и их отличия. Думаю, я справился. Надеюсь, вам было интересно.
В следующий раз мы перейдем непосредственно к резке металла. Физические процессы, нюансы и особенности резки различных металлов – в следующий раз.
До новых встреч!
При подготовке информации я использовал: 1. П.Г. Мазеин, М.Р. Ахметов, С.Р. Сайфутдинов «Применение станков лазерной резки», 2011; 2. О.Б. Ковалев, В.М. ФОМИН «Физические основы лазерной резки толстых листовых материалов», 2013г. 3. А.Г. Григорьянц, А.А. Соколов «Лазерная резка металлов», 1988г.
