Сущность лазерной сварки.

Применяемый для расплавления ме­талла при сварке лазерный луч представ­ляет собой вынужденное монохроматиче­ское излучение, длина волны которого зависит от природы рабочего тела лазера-излучателя и может быть в диапазоне 0,1 ... 1000 мкм. Оно возникает в резуль­тате вынужденных скачкообразных пере­ходов возбужденных атомов рабочих тел лазеров на более низкие энергетические уровни. При этом возбужденный атом отдает энергию в виде фотонов с часто­той, свойственной материалу применяе­мого рабочего тела. Испускание света можно инициировать воздействием внеш­него фотона, обладающего энергией, со­ответствующей разнице энергий атомов в возбужденном и нормальном состояниях. В результате такого воздействия генери­руются два фотона с одинаковой часто­той, которые распространяются в направ­лении вектора внешнего фотона.

Одновременно может протекать и об­ратный переход. Поэтому для получения заметной генерации вынужденного излу­чения необходимо добиваться такого со­стояния рабочих тел, при котором прева­лировали бы переходы с возникновением новых фотонов. Этого состояния искусст­венно достигают воздействием различных источников энергии: электрической, световой, тепловой или химической, с помощью которых прово­дят так называемую "накачку" рабо­чих тел.

Излучателем — активным элементом могут быть твердые тела: стекло с нео­димом, рубин, гранат с эрбием и др.

В качестве излучателя используются также различные жидкости: растворы окиси неодима, красители и др.

Излучателями могут быть также газы и газовые смеси: водород, азот, аргон, углекислый газ и др.

В последнее время в качестве излучателей используют также полупровод­никовые монокристаллы: арсениды галлия и индия, сплавы кадмия с селеном и серой и др. Генераторы с полупроводниковым излучателем обладают малым весом, экономичны и имеют самый высокий КПД (до 0,70).

Излучатель возбуждается и генерирует свет под действием энергии системы накачки: твердотельные и жидкие активные элементы возбуждаются светом им­пульсных ламп; газовые смеси в основном накачиваются энергией газового раз­ряда; полупроводниковые излучатели используют энергию электрического тока, протекающего через область р—n-перехода. Разработаны системы, которые позволяют использовать для накачки газовых лазеров тепло и энергию химиче­ских реакций.

В зависимости от энергетических параметров системы накачки лазер работает в импульсном или непрерывном режиме.

В квантовых технологических генераторах (твердотельный лазер) обычно в качестве основного энергетического элемента используют рубин. Рубин — это окись алюминия, в ко­торой небольшое число атомов алюминия замещено атомами хрома. Обычно в квантовых генераторах используют бледно-розовый рубин, содержащий 0,05% Сг.

Используемый в лазере розовый кристалл рубина обрабатывается в виде стерженька, длина и диаметр которого определяют мощность излучения. Его торцы полируют до получения оптически плоской поверхности, затем их под­вергают серебрению для получения отражающих поверхностей. Выходной конец кристалла является полупрозрачным. Рубиновый стерженек помещают вблизи электронной лампы вспышки, служащей источником широкополосного света для оптической накачки.

Лазер на кристалле рубина питается от импульсной лампы. При освещении лампой вспышкой рубинового стерженька большинство атомов хрома переводится в возбужденное состояние. При спонтанном испускании возбужденным атомом фотона параллельно оси кристалла фотон побуждает другой возбужденный атом испустить второй фотон (индуцированный). Этот процесс продолжается лавино­образно, поскольку фотоны, отражаясь от торцов кристалла, движутся по кри­сталлу в осевом направлении. Интенсивность пучка растет в результате много­кратного отражения от обоих торцов стержня. В этом случае, если интенсивность света от импульсной лампы превысит некоторый критический уровень, начинает появляться эффект квантового усиления и тогда с полупрозрачного торца в течение тысячных долей секунды выбрасывается интенсивный поток фотонов с дли­ной волны 6943 А. Выходной пучок является узконаправленным, мощным, моно­хроматическим и когерентным.