Установки для лазерной обработки материалов

Федеральное государственное  автономное

образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«СИБИРСКИЙ  ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Политехнический институт

 

Кафедра «Электротехнологии и электротехники»

 

УТВЕРЖДАЮ       

Заведующий  кафедрой

_____   В. Н. Тимофеев

« _____»   ____ 2012 г.

 

 

 

 

 

 

 

ОТЧЕТ О ПРАКТИКЕ

 

 

Установки лазерной обработки материалов

 

 

 

 

 

 

 

 

 Студент,                      гр. ФЭ11-07Б     __________           В. С. Светлакова

                                 

 

Преподаватель                                        __________              Т. А. Боякова

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Красноярск 2012

РЕФЕРАТ

 

Отчет о практике по теме «Установки лазерной обработки материалов» содержит 31 страницу, 5 рисунков, 7 таблиц, 7 источников литературы.

УСТАНОВКИ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

Объект  практики – Изучение установок лазерной обработки материалов.

Цель  практики:

1. Нахождение необходимых источников литературы;
2. Ознакомление с найденными источниками информации;

По окончанию  учебной практики была найдена литература по установкам лазерной обработки материалов, в итоге был произведён отбор информации и получены необходимые теоретические знания по своей теме.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………………………...4

1. Лазер………………………………………………………………………….................5

1.1. Принцип действия  лазеров…………………………………………………..5

1.2. Особенности  лазерного излучения………………………………………….7

1.3. Классификация  лазеров……………………………………………………...7

2. Применение  лазеров……………………………………………………………………8

2.1. Лазеры в технологии. Технологические режимы лазерной обработки материалов………………………………………………………………………...9

2.2.Лазеры в  медицине…………………………………………………………..16

3. Установки  и комплексы для лазерной обработки  материалов…………………….18

3.1. Общая характеристика  лазера и систем на его основе……………….......18

3.2. Многофункциональные  установки………………………………………...20

4. Лазерные медицинские  установки…………………………………………...............24

4.1 Установки…………………………………………………………………….24

Заключение……………………………………………………………………………….29

Список использованной литературы…………………………………………...............31

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

введение

Лазерная обработка  материалов - резка, сверление, сварка, модификация поверхностного слоя, маркировка - не только обеспечила новый уровень качества и скорости в традиционных технологических операциях, но и создана предпосылки для принципиально новых конструкторских и технологических решений в машиностроении, электронике, авиакосмической технике и других областях.

Возможности повышения производительности труда, экономии материалов и энергоресурсов, обеспечения быстрой переналадки производств при выпуске широкой номенклатуры продукции малыми сериями или даже в единичных экземплярах, развития ремонтно-восстановительных мощностей в машиностроении, судостроении, авиастроении делают задачу массового внедрения лазерных технологий чрезвычайно актуальной.

Лазерные  технологии обработки материалов нашли  сегодня широчайшее применение в следующих направлениях:

• раскрой, резка и сверление;
• точечная и шовная сварка, пайка;
• размерная обработка;
• поверхностное упрочнение металла;.
• гравировка и маркировка:
• скрайбирование;
• изготовление трафаретов;
• формирование пленок;
• фотолитография;
• подгонка номиналов:
• отжиг и легирование полупроводников:
• быстрое изготовление объемных форм любой сложности;
• очистка поверхностей.

Опыт  грамотного внедрения лазерных технологий обработки промышленных материалов свидетельствует о том. что именно сегодня они могут дать существенный и быстрый технико-экономический эффект предприятиям за счет повышения качества и соответственно, конкурентоспособности выпускаемой продукции и обеспечения гибкости производства.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Лазер

 

Лазеры – это источники  когерентного оптического излучения, принцип действия которых основан  на использовании явления индуцированного  излучения. 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 вынужденного испускания. Таким образом, в самом термине лазер отражена так фундаментальная роль процессов вынужденного испускания, которую они играют в генераторах и усилителях когерентного света.

 

1. Принцип действия лазеров

 

Чтобы понять принцип  работы лазера, нужно более внимательно  изучить процессы поглощения и излучения атомами квантов света. Атом может находиться в различных энергетических состояниях с энергиями E1, E2 и т. д. В теории Бора эти состояния называются стабильными. На самом деле стабильным состоянием, в котором атом может находиться бесконечно долго в отсутствие внешних возмущений, является только состояние с наименьшей энергией. Это состояние называют основным. Все другие состояния нестабильны. Возбужденный атом может пребывать в этих состояниях лишь очень короткое время, порядка 10^–8 с, после этого он самопроизвольно переходит в одно из низших состояний, испуская квант света, частоту которого можно определить из второго постулата Бора. Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое, называют спонтанным. На некоторых энергетических уровнях атом может пребывать значительно большее время, порядка 10^–3 с. Такие уровни называются метастабильными. Переход атома в более высокое энергетическое состояние может происходить при резонансном поглощении фотона, энергия которого равна разности энергий атома в конечном и начальном состояниях. Переходы между энергетическими уровнями атома не обязательно связаны с поглощением или испусканием фотонов. Атом может приобрести или отдать часть своей энергии и перейти в другое квантовое состояние в результате взаимодействия с другими атомами или столкновений с электронами. Такие переходы называются безизлучательными. В 1916 году  А. Эйнштейн предсказал, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля, частота которого равна собственной частоте перехода. Возникающее при этом излучение называют вынужденным или индуцированным. Вынужденное излучение обладает удивительным свойством. Оно резко отличается от спонтанного излучения. В результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном атом испускает еще один фотон той же самой частоты, распространяющийся в том же направлении. На языке волновой теории это означает, что атом излучает электромагнитную волну, у которой частота, фаза, поляризация и направление распространения точно такие же, как и у первоначальной волны. В результате вынужденного испускания фотонов амплитуда волны, распространяющейся в среде, возрастает. С точки зрения квантовой теории, в результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном, частота которого равна частоте перехода, появляются два совершенно одинаковых фотона-близнеца. Именно индуцированное излучение является физической основой работы лазеров.

На рис. 1 схематически представлены возможные механизмы переходов между двумя энергетическими состояниями атома с поглощением или испусканием кванта.

Рисунок 1.Условное изображение процессов (a) поглощения, (b) спонтанного испускания и (c) индуцированного испускания кванта.

Рассмотрим  слой прозрачного вещества, атомы  которого могут находиться в состояниях с энергиями E1 и E2 > E1. Пусть в  этом слое распространяется излучение  резонансной частоты перехода ν = ΔE / h. Согласно распределению Больцмана, при термодинамическом равновесии большее количество атомов вещества будет находиться в нижнем энергетическом состоянии. Некоторая часть атомов будет находиться и в верхнем энергетическом состоянии, получая необходимую энергию при столкновениях с другими атомами. Обозначим населенности нижнего и верхнего уровней соответственно через n1 и n2 < n1. При распространении резонансного излучения в такой среде будут происходить все три процесса, изображенные на рис. 1. Эйнштейн показал, что процесс (a) поглощения фотона невозбужденным атомом и процесс (c) индуцированного испускания кванта возбужденным атомом имеют одинаковые вероятности. Так как n2 < n1 поглощение фотонов будет происходить чаще, чем индуцированное испускание. В результате прошедшее через слой вещества излучение будет ослабляться. Это явление напоминает появление темных фраунгоферовских линий в спектре солнечного излучения. Излучение, возникающее в результате спонтанных переходов, некогерентно и распространяется во всевозможных направлениях и не дает вклада в проходящую волну. Чтобы проходящая через слой вещества волна усиливалась, нужно искусственно создать условия, при которых n2 > n1, т. е. создать инверсную населенность уровней. Такая среда является термодинамически неравновесной. Идея использования неравновесных сред для получения оптического усиления впервые была высказана В. А. Фабрикантом в 1940 году. В 1954 году русские физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и независимо от них американский ученый Ч. Таунс использовали явление индуцированного испускания для создания микроволнового генератора радиоволн с длиной волны λ = 1,27 см. За разработку нового принципа усиления и генерации радиоволн в 1964 году все трое были удостоены Нобелевской премии. Среда, в которой создана инверсная населенность уровней, называется активной. Она может служить резонансным усилителем светового сигнала. Для того, чтобы возникала генерация света, необходимо использовать обратную связь. Для этого активную среду нужно расположить между двумя высококачественными зеркалами, отражающими свет строго назад, чтобы он многократно прошел через активную среду, вызывая лавинообразный процесс индуцированной эмиссии когерентных фотонов. При этом в среде должна поддерживаться инверсная населенность уровней. Этот процесс в лазерной физике принято называть накачкой. Начало лавинообразному процессу в такой системе при определенных условиях может положить случайный спонтанный акт, при котором возникает излучение, направленное вдоль оси системы. Через некоторое время в такой системе возникает стационарный режим генерации. Это и есть лазер. Лазерное излучение выводится наружу через одно (или оба) из зеркал, обладающее частичной прозрачностью.

2. Особенности лазерного излучения

Лазерные источники света обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими источниками света:

1. Лазеры способны  создавать пучки света с очень  малым углом расхождения (около  10^-5 рад).

2. Свет лазера обладает  исключительной монохроматичностью. В отличие от обычных источников света, атомы которых излучают свет независимо друг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно. Поэтому фаза волны не испытывает нерегулярных изменений.

3. Лазеры являются  самыми мощными источниками света.  В узком интервале спектра кратковременно (в течение промежутка времени продолжительностью порядка 10^-13 с) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения 1017 Вт/см2.

3. Классификация лазеров

Классификация лазеров  производиться с учетом как типа активной среды, так и способа ее возбуждения (способа накачки). По способу накачки следует, прежде всего, выделить два способа – оптическую накачку и накачку с использованием самостоятельного электрического разряда. Оптическая накачка имеет универсальный характер. Она применяется для возбуждения самых различных активных сред – диэлектрических кристаллов, стекол, полупроводников, жидкостей, газовых смесей. Оптическое возбуждение может использоваться так же как составной элемент некоторых других способов накачки. Накачка с использованием самостоятельного электрического разряда применяется в разряженных газообразных активных средах – при давлении 1….10 мм рт. ст. Соответствующие типы лазеров объединяют общим термином газоразрядные лазеры.

 

Классификация лазеров по активной среде и области применения:

• Газовые лазеры
• Гелий-неоновые лазеры (HeNe) (543 нм, 632,8 нм, 1,15 нм, 3,39 нм)
• Лазеры на углекислом газе (9,6 мкм и 10,6 мкм) используются в промышленности для резки и сварки материалов, имеют мощность до 100 кВт; Твердотельные лазеры: рубиновые (694 нм), александритовые (755 нм), массивы импульсных диодов (810 нм), Nd:YAG (1064 нм), Ho:YAG (2090 нм), Er:YAG (2940 нм). Используются в медицине.
• Алюмо-иттриевые твердотельные лазеры с неодимовым легированием (Nd:YAG) — инфракрасные лазеры большой мощности, используемые для точной резки, сварки и маркировки изделий из металлов и других материалов
• Кристаллические лазеры с иттербиевым легированием, такие как Yb:YAG, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:SYS, Yb:BOYS, Yb:CaF2, или на основе иттербиевого стекловолокна; обычно работают в диапазоне 1020—1050 нм; потенциально самые высокоэффективные благодаря малому квантовому дефекту; наибольшая мощность сверхкоротких импульсов достигнута на Yb:YAG-лазере. Волоконные лазеры с иттербиевым легированием обладают рекордной непрерывной мощностью среди твердотельных лазеров (десятки киловатт)
• Титан-сапфировые лазеры. Хорошо перестраиваемый по длине волны инфракарасный лазер, используемый для генерации сверхкоротких импульсов и в спектроскопии
• Полупроводниковые лазерные диоды. Самый распространенный тип лазеров: используются в лазерных указках, лазерных принтерах, телекоммуникациях и оптических носителях информации(CD/DVD). Мощные лазерные диоды используются для накачки современных твердотельных лазеров.
• Лазеры на свободных электронах