История развития лазерных технологий

15:4117.01.2017

Слово «лазер» составлено из начальных букв в английском словосочетании Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский язык означает: «усиление света посредством (индуцированного) вынужденного испускания». Устройство можно назвать оптическим квантовым генератором, который преобразует энергию накачки (электрическую, световую и др.) в энергию узконаправленного монохроматического потока излучения. То есть в основе его работы лежит квантово-механическое явление индуцированного излучения. Это явление впервые было описано Эйнштейном, (им же была предложена идея создания генераторов-усилителей когерентного света) и стало основанием нынешней квантовой электроники и лазерных технологий.
Во второй половине пятидесятых годов разрабатывались и создавались твердотельные молекулярные усилители, но охватывали они СВЧ-диапазон радиоволн, потому назывались мазерами (MASER — microwave amplification by stimulated emission of radiation). Первый был разработан в 1954 в Москве в институте академии наук им. Лебедева учеными Николаем Басовым, Александром Прохоровым. Независимо от них и в то же самое время в Колумбийском университете в Нью-Йорке разработками занимались Х. Цайгер, Д. Горлон и Ч. Таунс.
Следующей ступенью на пути развития квантовой электроники стало перенесение ее принципов на оптическое излучение. В 1958 Шавлов, Таунс и Прохоров продемонстрировали возможности использования этого явления.
Впервые лазер на рубиновом стержне создан был в 1960 году Т. Майманом. Все современные лазеры сегодня содержат элементы, которые использовались в том самом первом лазере. С того момента лазерная техника начала стремительно развиваться и распространяться.
С созданием лазеров стала развиваться новая тогда область физики — нелинейная оптика, которая изучает нелинейные оптические эффекты под воздействием индуцированного излучения. Первый лазер, работающий на смеси газов (гелия и неона), в котором атомы неона испускались инфракрасным когерентным излучением, был создан А. Джаваном.
Лазер это — источник света. И от других источников света его отличает высокая стабильность интенсивного излучения в стационарном режиме, возможность генерировать очень короткие световые импульсы, монохроматичность и высокая спектральная плотность энергии. Эти свойства, собственно, и позволяют применять лазер так разнообразно в различных отраслях.
За 40 лет со времени изобретения технологии лазерной резки сфера ее применения, и создание различных видов лазеров достигли внушительных масштабов.
Широкое применение лазерная технология нашла в промышленности как метод обработки металла: лазерная резка, сварка, плавление, гравировка.
Сегодня лазерная резка металлов ‒ один из наиболее производительных и перспективных технологических процессов, используемых в современной индустрии, особенно при производстве изделий нового поколения.

Технологические закономерности процесса лазерной резки металлов
Процесс лазерной резки металлов зависит от различных факторов, которые определяют производительность и качественные показатели процесса. К основным факторам относятся:
• мощность лазерного излучения
• скорость резки
• давление и состав поддуваемого газа
• размеры и конфигурация сопла для подачи газа
• расстояние от сопла до поверхности материала
• поглощательная способность поверхности материала
• вид, состав и свойства разрезаемых материалов.
С позиции технико-экономической эффективности применение лазерной резки особенно целесообразно в тех случаях, когда требуется получить деталь с высокой степенью точности размеров и формы, т.е. при предъявлении к конечной продукции требований повышенного качества.
При лазерной резке металлов на поверхности реза образуются углубления (бороздки), располагающиеся равномерно одно за другим. Бороздки характеризуются тремя показателями: глубиной, частотой и формой, которые в своей совокупности определяют микрогеометрию (шероховатость) поверхности реза.
По топографии поверхности реза, характеру разрушения в зоне обработки различные металлы по их разрезаемости лазерным лучом можно разделить на несколько основных групп:
• мало-, среднеуглеродистые и низколегированные стали;
• высокоуглеродистые (высоколегированные), в том числе нержавеющие стали;
• титан и его сплавы;
• цветные металлы (алюминий, медь и др.)
Рассматривая качество поверхностей резов, следует учесть, что при резке углеродистых и нержавеющих сталей, титановых и алюминиевых сплавов характерно образование грата на нижней кромке деталей. Грат (нем. Grat) – излишки металла, остающиеся на кромке после какого-либо процесса обработки. Это значительно снижает качество лазерной резки, а иногда делает ее неприменимой. Образование грата – результат смачивания поверхности твердого металл удаляемыми из полости реза жидким металлом и его оксидами за счет получения химических соединений, твердых и жидких растворов, диффузионных процессов в поверхностном слое металла.
Количество грата на кромках зависит от мощности излучения, толщины металла, скорости резки и давления газа. В процессе резки углеродистых сталей, при подборе режима, необходимого для получения качественных резов, нижняя кромка реза остается свободной от грата. При резке нержавеющих сталей, титана и цветных металлов, грат образуется при любых режимах резки. Но количество грата можно снизить, например, посредством уменьшения мощности излучения, а также при использовании более низких скоростей резки.
Еще одним эффективным способом борьбы с гратообразованием является предварительная обработка металла, например фосфотирование, оксидирование и др. Но нанесение таких покрытий требует дополнительных технологических операций, что значительно увеличивает стоимость резки.