Лекция 4.1.2. Лазеры и лазерная технология

История техники свидетельствует о том, что массовое внедрение новых технологических процессов всегда оказывало революционизирующее воздействие на промышленность. Так было при появлении методов скоростного резания, холодной штамповки, точного литья, электродуговой сварки — перечень примеров легко продолжить.

Известно, что лазерный луч отличается чрезвычайно высокой монохроматичностью и направленностью, что позволяет с помощью обычных оптических систем фокусировать его на площадку с характерным размером в доли миллиметра (в пределе порядка длины волны), достигая при этом рекордно высоких плотностей потока излучения. Современные непрерывные лазеры обеспечивают интенсивность сфокусированного излучения на уровне до 10¹⁰ Вт/см², а в импульсных системах, применяемых, например, для исследований в области лазерного термоядерного синтеза, эта величина достигает значений 10¹⁶-10¹⁷ Вт/см². Для сравнения можно указать, что средняя интенсивность солнечного излучения на поверхности Земли составляет около 0,1 Вт/см², и при фокусировке ее можно увеличить до 10 Вт/см².

Высокая интенсивность лазерного излучения открывает широкие возможности его технологических применений в качестве инструмента для локальной термообработки. Лазерный луч - это уникальный тепловой источник, способный нагреть облучаемый участок детали до высоких температур за столь малое время, в течение которого тепло практически не успевает «растекаться». Нагреваемый участок может быть при этом размягчен, рекристаллизован, расплавлен, наконец, его можно испарить. Дозируя тепловые нагрузки путем регулировки мощности и продолжительности лазерного облучения, можно обеспечить практически любой температурный режим и реализовать различные виды термообработки. Лазерный нагрев используется для поверхностной закалки и легирования металлов, для плавления при сварке, для плавления и испарения с выбросом паров при резке и сверлении.

Лазерные методы обеспечивают возможность дистанционной обработки, возможность обработки труднодоступных участков готовых деталей, селективность воздействия (например, при термообработке можно упрочнять только те участки поверхности, которые подвергаются непосредственным механическим нагрузкам, работают на истирание и т. п.),

лазерный луч не загрязняет обрабатываемой поверхности и, наконец, он дает возможность прецизионной резки и сверления материалов, вообще не поддающихся механической обработке,— композитов, сверхтвердых сплавов, изделий порошковой металлургии, керамики и др. Единственным аналогом лазерного луча в этом аспекте является интенсивный электронный пучок, однако лазерный луч имеет два важных преимущества: при его использовании не требуется вакуумирование обрабатываемой детали и не требуется создание мощной биологической защиты для обслуживающего персонала.

Наряду с отмеченными преимуществами лазерная технология обладает и рядом недостатков, главными из которых являются: сравнительно низкий кпд, высокая стоимость и недостаточная еще надежность мощных лазеров. Поэтому лазерной технологии еще предстоит найти свое место в общем ряду методов обработки материалов. При этом следует иметь в виду огромные успехи в развитии различных технологических методов, достигнутые в последние годы. Например, работы Института электросварки имени Е. О. Патона АН УССР продемонстрировали чрезвычайно широкие технологические возможности различных способов сварки. По-видимому, лазерная сварка найдет применение в тех случаях, когда требуются особенно высокая скорость и точность, а также, когда известные способы неприменимы — скажем, при необходимости дистанционной сварки крупноразмерных деталей.

Развитие лазерной технологии практически началось вслед за созданием первых лазеров на рубине, стеклах и гранатах, легированных неодимом. Их относительно низкая средняя мощность позволяла осуществлять лишь процессы, не требующие большого энерговыделения в обрабатываемых деталях, но эффективность и высокая производительность лазерных методов обработки сразу стали очевидными. Широкие масштабы получили лазерное сверление часовых камней, изготовление алмазных фильер для протяжки синтетических волокон и тонких проволок, лазерная технология резки керамических подложек интегральных схем, пайки электрических контактов в электронно-вакуумных и полупроводниковых приборах, точечной сварки миниатюрных металлических деталей в приборах точного машиностроения. Перечисленные технологические методы, основанные на использовании лазеров, по существу, вытесняют традиционные приемы.

При переходе к лазерной обработке массивных деталей оказывается необходимой наряду с высокой интенсивностью и высокая средняя мощность излучения, поскольку возрастает масса материала, которую нужно нагревать, расплавлять и т. д. Например, сварка и резка стальных листов требуют на каждый миллиметр толщины листа около киловатта средней мощности лазера. Первые успешные технологические эксперименты с применением мощного лазерного излучения были выполнены на непрерывных лазерах на углекислом газе (СO₂), возбуждаемых продольным тлеющим разрядом. Простота и надежность таких лазеров, возможность стабильной работы на уровне мощности излучения около 1 кВт обеспечили им широкое распространение, несмотря на сравнительно малый удельный энергосъем (40-60 ватт на метр длины активной области) и вынужденно большую длину разрядной трубки—10 и более метров.

Как показал уже первый опыт использования лазерного излучения для обработки материалов, технологические возможности лазеров существенно расширяются при повышении средней мощности луча. Неудивительно, что определяющим для развития лазерной технологии фактором стало создание мощных высокоэффективных лазеров, способных непрерывно работать в течение достаточно долгого времени. На сегодняшний день известно несколько типов лазеров, обеспечивающих среднюю мощность излучения на уровне 1 кВт и выше,— это прежде всего электроразрядные СО₂-лазеры, химические и газодинамические лазеры. В последние годы киловаттный уровень был достигнут в импульсно-периодических лазерах на растворах некоторых органических красителей с оптической накачкой. Однако для промышленного использования из них оказались пригодными, по существу, только электроразрядные СO₂-лазеры, поскольку все остальные из перечисленных пока не обеспечивают большой продолжительности непрерывной работы (а ведь требуется время, по крайней мере соизмеримое с продолжительностью стандартной рабочей смены). Кроме того, в химических лазерах используются весьма токсичные активные среды, что существенно усложняет их эксплуатацию, а лазеры на красителях имеют довольно низкий технический кпд. Поэтому развитие лазерной технологии обработки массивных промышленных деталей на практике оказалось тесно связанным с развитием работ по мощным СО₂-лазерам. возбуждаемым электрическими разрядами. Хотя первые демонстрационные эксперименты были выполнены на квазинепрерывных газодинамических СО₂-лазерах.

В электроразрядном СО₂-лазере на колебательно-вращательных переходах возбуждение активных частиц - молекул СО₂, их перевод на верхний рабочий энергетический уровень осуществляются, во-первых, при непосредственном столкновении свободных электронов, существующих в разрядной плазме, с молекулами СО₂, и, во-вторых, при столкновениях невозбужденных молекул СО₂ с молекулами азота (N2), накапливающими энергию при столкновениях с теми же электронами.

Ясно поэтому, что характеристики такого лазера существенным образом определяются свойствами электрического разряда в его активной среде (обычно это смесь, основными компонентами которой являются углекислый газ, азот и гелий (Не). Для достижения высокой мощности лазерного излучения необходимо иметь одновременно большое количество возбужденных активных молекул, а для этого соответственно нужно повышать активный объем и плотность рабочего газа и увеличивать концентрацию электронов в разряде, то есть повышать плотность разрядного тока. Предельный кпд СО₂-лазера, определяемый свойствами самой молекулы СО₂, составляет примерно 40%, и значительная часть энергии, вводимой в разряд в активной среде лазера, выделяется в виде джоулева тепла. Нагрев рабочего газа приводит к тепловому «заселению» нижнего рабочего уровня молекулы СО₂ и ускорению «расселения» ее верхнего уровня, затрудняют переходы с верхнего на нижний рабочий уровень, сопровождающиеся испусканием квантов лазерного излучения, и соответственно снижает эффективность генерации. Поэтому активная среда непрерывного СО₂-лазера должна охлаждаться. Технически наиболее простой способ такого охлаждения — непрерывная замена газа в активной области со скоростью, обеспечивающей поддержание температуры этого газа на нужном невысоком уровне. Ясно, что длительная работа с выбросом газа неэкономична, поэтому для лазера предпочтительна организация прокачки газа по замкнутому контуру, включающему активную область и теплообменник. Таким образом, для электрической накачки мощного непрерывно работающего СО₂-лазера необходимо организовать однородный объемный разряд в потоке смеси типа СО₂: N₂: Не максимально возможного давления.

Для снижения полного напряжения на разрядном промежутке лазера и уменьшения скорости движения газового потока были использованы так называемые поперечные схемы возбуждения и прокачки газа, в которых ширина электродов (определяющая при заданной скорости газа время пребывания его в активной области) и расстояния между ними (определяющее полное рабочее напряжение при известном давлении газа) много меньше длины активной области лазера (совпадающей в данном случае с длиной электродов).

Переход от продольного тлеющего разряда в трубках, заполненных неподвижным газом, к поперечному разряду в потоке газа позволил создать компактные лазерные установки с мощностью непрерывного излучения до 10 киловатт и еще более расширить возможности лазерной технологии. Например, использование лазеров такого типа со средней мощностью около 5 киловатт позволило организовать на Автозаводе имени И. А. Лихачева в Москве (в 1980 годах) автоматическую лазерную сварку карданных валов автомобилей, срок службы изготовленных таким образом валов возрос втрое.

Дальнейшее существенное увеличение мощности излучения СО₂-лазеров, возбуждаемых самостоятельным, или самоподдерживающимся, разрядом (он называется так потому, что свободные электроны, необходимые для получения тока - а в случае активной среды лазера и для ударного возбуждения рабочих молекул,- создаются приложенным к разрядному промежутку электрическим полем), оказывается невозможным из-за неустойчивости объемного самостоятельного разряда. Повышение давления или увеличение объема разрядного промежутка до уровней, превосходящих реализованные в упомянутых выше лазерах мощностью 5-10 киловатт, приводит к шнурованию разряда, появлению искры и даже переходу в дуговой разряд, а эти виды разряда непригодны для возбуждения СО₂-лазеров. Существование верхнего предела устойчивости самостоятельных разрядов по параметру Pd (Р - давление газа, a d — характерный размер разрядного промежутка) принципиально ограничивает мощность лазеров, возбуждаемых самостоятельным разрядом.

Для повышения мощности излучения непрерывных СО₂-лазеров — свыше десяти киловатт - требуется разряд иного типа, свободный от указанных ограничений,- сильноточный несамостоятельный разряд. Он был открыт советскими и американскими учеными в начале 70-х годов. В таком разряде нужная концентрация свободных электронов создается внешним источником ионизации (электронный пучок, жесткие g-кванты, продукты ядерных реакций и др.), а приложенное электрическое поле создает лишь направленное движение зарядов, причем, меняя напряженность поля, можно добиться того, чтобы средняя энергия электронов стала оптимальной для возбуждения лазерных молекул. В этих условиях реализуется максимальная эффективность преобразования энергии электрического тока в энергию возбуждения активной среды и, соответственно, максимальный кпд лазера. Лазеры с накачкой несамостоятельным разрядом были названы электроионизационными. Тот физический факт, что электрическое поле в активной среде электроионизационных лазеров не участвует в создании электропроводности, в рождении свободных электронов, приводит к уникальным свойствам электроионизационного разряда: он не имеет принципиальных ограничений ни на величину давления рабочего газа, ни на размеры разрядного промежутка. В Физическом институте имени П. Н. Лебедева АН СССР еще в 1972 году был создан импульсный электроионнзационный СО₂-лазер с рабочим давлением 100 атмосфер.

Физика электроионизационного разряда в действительности не так проста, как было только что описано.

Важно, однако, подчеркнуть, что электроионизационные лазеры, избавившись от традиционных ограничений на рабочее давление и рабочий объем лазерной камеры, получили принципиальную возможность продвигаться в область чрезвычайно высоких мощностей лазерного луча.

Для импульсных систем увеличение давления в 1000 раз приводит в эксперименте к увеличению мощности в 1 000 000 и энергии импульса в 1000 раз.

По существу, в электроионизационных СО₂-лазерах рост средней мощности излучения ограничен лишь лучевой прочностью оптических элементов резонатора и величиной тепловой мощности, которую можно снять с газа в теплообменнике. Для СО₂-лазера существует соотношение: с каждого грамма газовой смеси (комнатной температуры), прокачиваемой через камеру за 1 секунду, можно получать 50-100 ватт средней мощности излучения.

За работы по электроионизационным лазерам ряду сотрудников Физического института АН СССР, МГУ и Института атомной энергии В. М. Андрияхину, В. А. Данилычеву, Ю. М. Попову, Э. М. Беленову, И. Б. Ковшу, А. Ф. Сучкову, В. Д. Письменному, В. К. Орлову, В. Е. Хвостионову, Н. В. Чебуркину, И. Г. Персианцеву, А. Т. Рахимову в 1978 году была присуждена Государственная премия СССР.

Мощные технологические лазеры непрерывно совершенствуются, причем этот процесс идет все более ускоряющимися темпами, поскольку демонстрация высокой эффективности лазерной технологии в любом ее применении стимулирует работы по созданию новых и целенаправленной оптимизации известных лазерных систем для достижения еще большей эффективности, производительности, экономичности. Большой интерес представляет переход от электроионизационных СО₂ к электроионизационным СО-лазерам.

Значительное внимание было уделено исследованию физико-химических процессов, идущих при воздействии мощного лазерного излучения на твердые материалы в газовой атмосфере. Эти исследования, с одной стороны, обнаружили пути повышения эффективности лазерного термического воздействия (например, за счет увеличения поглощения лазерного луча холодными металлическими поверхностями при использовании специальных покрытий; за счет перехода от непрерывного к импульсно-периодическому лазерному излучению с той же средней мощностью; за счет оптимизации системы фокусировки луча и т. д.). С другой стороны, были развиты новые режимы воздействия, послужившие основой новых лазерных технологических процессов. В качестве примера можно указать лазерное остекловывание металлов, заключающееся в создании тонкого аморфного по структуре поверхностного слоя, обладающего высокой прочностью и коррозионной стойкостью. Аморфная структура возникает на поликристаллической поверхности в результате чрезвычайно быстрого (10⁸ град./сек) ее охлаждения после лазерного нагрева.

Очень интересные результаты получены при использовании импульсно-периодических лазеров для поверхностного упрочнения металлов ударными волнами.При повышении интенсивности лазерного излучения до 10⁸-10¹⁰ Вт/см² на облучаемой поверхности создается слой плазмы, распространяющийся навстречу лазерному лучу. Вблизи поверхности возникает ударная волна, пиковые давления на деталь достигают сотен атмосфер. Воздействие на металлическую деталь оказывается в этом решении таким же, как в случае холодной обработки металла давлением. Анализ влияния индуцируемых лазером волн давления на структуру и свойства облучаемого металла, проведенный американскими учеными на примере алюминиевых и титановых сплавов, сталей и чугунов, показал существенное повышение прочности, твердости, износоустойчивости всех этих материалов. Для алюминиевых деталей была продемонстрирована возможность значительного повышения этим методом прочности сварных швов и усталостной прочности. Для ряда типичных деталей самолета было получено стократное повышение срока службы.

Важная, уже освоенная практически область использования технологических лазеров - поверхностная термообработка: закалка, поверхностное легирование, наплавка. Лазерные методы позволяют, в частности, заменить ряд традиционных операций, связанных с неблагоприятными условиями труда и загрязнением окружающей среды, заменить ряд дорогостоящих материалов более дешевыми и доступными, создать однородные сплавы с различным сочетанием черных и цветных металлов, таких, например, как сталь и алюминий, медь и алюминий и др. Значительный интерес представляет возможность использования лазерного луча для разметки и маркировки. Существенные перспективы открываются при применении импульсно-периодических лазеров для очистки поверхности зданий (вместо обычно применяемого пескоструйного метода), непрерывных лазеров для обработки природного камня, строительных и других неметаллических материалов.

Из сказанного может сложиться представление, что лазерная технология ограничивается такими процессами, как сварка, резка, сверление и т. п. В действительности же существует сфера технологических применений лазеров, в которой используются их уже не тепловое, а так называемое селективное, избирательное воздействие на вещество. В качестве примера можно назвать лазерную химию, а также разделение изотопов, получение сверхчистых материалов и др.

Использование СО₂-лазеров позволило существенно развить лазерную технологию, но уже созданы и другие типы лазеров, которые окажутся весьма перспективными в будущем. Прежде всего здесь нужно указать на уже упоминавшиеся СО-лазеры (лазеры на моноокиси углерода), длина волны излучения которых примерно в два раза меньше длины волны излучения СO₂-лазеров и составляет около 5 мкм. Импульсные СО-лазеры оказываются почти вдвое эффективнее СО₂-лазеров при сверлении алюминия. Как показывают предварительные эксперименты, сокращение длины волны лазерного излучения и переход к ближнему инфракрасному, видимому и ультрафиолетовому излучению (например, с использованием химических, фотодиссоциационных, эксимерных лазеров) позволяют существенно снизить энергозатраты на одну операцию и повысить точность обработки. Большие возможности открываются при преобразовании (конверсии) лазерного излучения в рентгеновское. Здесь можно ожидать существенных результатов как при использовании рентгеновского излучения для измерительных целей (контроль качества швов, исследование структуры тонких легированных слоев, исследование качества поверхности и т.д.), так и при выполнении технологических операций, таких, например, как рентгеновская литография, высокоточная разметка и т. д. Академик Н. Басов. 1982 г.