Изобретение лазерного луча

Все началсь 60-х годов ХХ века. Это время ознаменовалось событием, которое по праву относят к числу наиболее важных достижений науки и техники нашего столетия: были созданы оптические квантовые генераторы — лазеры. За относительно небольшой период времени из лабораторных приборов они превратились в незаменимые, высокоэффективные орудия производства и инструменты научного познания. Микроэлектроника, биология, метрология, медицина, геодезия, связь, часовая промышленность, спектроскопия, голография, вычислительная техника, исследования по термоядерному управляемому синтезу... Сегодня можно насчитать уже сотни областей, где находят применение лазеры. И число их профессий все увеличивается и увеличивается.

Лазерный луч — это направленный поток электромагнитных волн только одной длины, то есть монохроматического света (видимого или невидимого), который с помощью оптических элементов (линз, зеркал, призм и т. д.) можно сделать остросфокусированным или расходящимся, «транспортировать» в любое труднодоступное место. Если луч лазера сфокусировать до очень малых размеров — сотых долей миллиметра, то плотность энергии достигнет миллионов ватт на квадратный сантиметр, а температура в месте его действия — десятков тысяч градусов. Этого вполне достаточно не только для расплавления, но и для испарения любых материалов. Сравнительная простота управления лучом, плавного изменения его энергии, возможность воздействия на материал независимо от его свойств, малые размеры зоны нагрева и кратковременность протекания процесса — вот те особенности лазеров, которые привлекают внимание конструкторов, технологов и ученых.

В настоящее время главными, наиболее распространенными технологическими процессами обработки деталей, изделий на машиностроительных заводах все еще остаются операции, связанные со снятием стружки,— строгание, точение, сверление, фрезерование, шлифование и т. д. Стремление потеснить традиционные методы обработки, применить вместо них направленные источники энергии — электронный луч, ультразвук, а в последнее время и лазерное излучение — вполне понятно. Ведь новая технология, ее внедрение в массовое производство позволяют отказаться от многочисленного и дорогостоящего обрабатывающего инструмента (сверл, резцов, фрез, абразивных кругов, пил и т. д.), значительно уменьшить отходы материалов, резко повысить эффективность процессов обработки, улучшить условия труда.

Исторически сложилось так, что свое триумфальное шествие лазеры начали именно с технологии обработки материалов. Первым их технологическим применением было прошивание отверстий в алмазах при изготовлении фильер — инструмента для протяжки проволоки и синтетических волокон. Сверление одного отверстия в алмазной фильере прежними способами длится несколько часов, а лазерный луч делает это за доли секунды! Вскоре лазеры стали использовать при изготовлении микросхем, для сверления отверстий в часовых камнях. Число применений лазеров для обработки росло, как снежный ком, захватывая все новые и новые производства. Но при этом оставались (и остаются по сегодняшний день) огромные по объему работ отрасли народного хозяйства, где ни для сварки, пайки, ни для резки и прошивания отверстий лазеры не используются. Речь идет об обработке крупногабаритных изделий в автомобильной и авиационной промышленности, в судостроении, в металлургии, станкостроении и т. д.

Чтобы получить представление о возможностях лазерной технологии, приведем несколько примеров. Электродуговая сварка стальных пластин толщиной 20 мм производится за 6—8 проходов со скоростью 20—25 м в час. Эту же операцию лазер мощностью около 20 кВт выполнит за один проход и в 5—6 раз быстрее; при этом ширина лазерного сварного шва будет раза в четыре уже. Другой пример относится к резке — одному из самых распространенных технологических процессов. Металлурги поставляют производству прокат, который затем режут, производят раскройку, рубят. В одних случаях резка должна быть очень тонкой и точной (при обработке, например, какого-либо дорогостоящего материала), в других — резке подвергаются сверхпрочные или жаропрочные сплавы, в третьих — резку надо выполнить в труднодоступном месте. Во всех этих случаях традиционные способы резки (газовой горелкой и электрической дугой) малоэффективны, трудоемки и неэкономичны. Их с успехом может заменить резка лучом лазера. Третий пример относится к упрочению поверхности металлов и сплавов. Внедрение лазерной техники позволило бы существенно упростить весь процесс термообработки и резко снизить затраты на нее.

В чем здесь преимущество лазера? Самое главное, в возможности выполнять обработку именно того места, которое наиболее подвергается износу при работе, а не всей детали; кроме того, лазер позволяет обрабатывать внутренние поверхности со сложной конфигурацией, что совершенно невозможно сделать другими способами.

Для обработки больших поверхностей и крупногабаритных деталей нужны лазеры непрерывного действия, мощность которых в сотни и даже в тысячи раз больше тех, что выпускаются сейчас для технологических целей. Лазер мощностью в доли ватта вполне справится со сваркой микросхем, но ему не под силу сваривать, например, стальные листы толщиной 1 мм. Здесь нужна мощность около 1 кВт; для сварки деталей толщиной в 5 мм требуется лазер мощностью уже 5 кВт. А ведь обрабатывать надо и более крупные детали.

Существуют лазеры, которые развивают громадную мощность: до миллиарда киловатт в одном импульсе. Но все дело в том, что для успешного, высокоэффективного выполнения важнейших технологических операций по обработке крупногабаритных изделий лазер должен работать в непрерывном режиме, а не импульсами, длительность которых составляет миллионные и даже миллиардные доли секунды.

Мало того, что для обработки крупногабаритных деталей нужен мощный лазер непрерывного действия. Надо еще, чтобы установка была не слишком громоздкой, работала бы в производственных условиях, причем не какие-нибудь считанные часы, а практически столь же длительно, как и любое другое технологическое оборудование цеха. Установка должна быть, конечно, надежной (а ей придется выполнять большой объем работы — производственную программу), удобной и безопасной в эксплуатации.

О лазерах

Лазер – это особый источник света, который в принципе отличается от всех прочих осветительных приборов и источников света: пламя, солнце, люминесцентные лампы и лампы накаливания. Лазерный луч имеет особые свойства, одно из которых, его прямолинейное распространение на большое расстояние. Кроме прямолинейности лазерный луч имеет большую температуру и способен прожечь отверстие практически в любом материале. Что же касается интенсивности лазерного луча, то она сильнее всех известных световых источников. 
Свое название лазер получил из заглавных букв фразы на английском языке: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER), что в переводе на русский означает — усиление светового потока при помощи вынужденного излучения.
Все лазерные установки делятся на несколько групп в зависимости от того, какая активная среда используется при его накачки.Типы лазеров: 
— газовые; 
— жидкостные;
— полупроводниковые; 
— твердотельные.