во втором в зону реза подается кислород. Такая резкЗназы-! вается газолазерной (рис. 88). \

Излучение лазера с помощью соответствующей оптической; системы фокусируется на поверхность обрабатываемого материала. Коаксиально падающему излучению в зону реза по-

Направление перв/чсихенир

Рис. 88. Схема газолазерной резки с подачей струи кислорода в зону воздействия: / - лазер, 2 - зеркало, 3 - заслонка, 4 - линза, 5 - окно, б - фокус, 7 -деталь

дается струя кислорода, которая выполняет две функции: способствует увеличению поглощенной доли излучения вследствие образования на поверхности пленки окисла, а также удаляет образующуюся пленку и расплав из зоны реза, пока материал не будет разрезан полностью.

Луч лазера обеспечивает высокую концентрацию энергии, что приводит к уменьшению ширины реза, снижению зоны термического влияния и дает более высокую скорость разре зания по сравнению с любым из других методов термической

резки. Ширина реза близка к диаметру пятна в фокальной плоскости или несколько меньше, а размер зоны термического влияния составляет 0,05... 2 мм.

Основными факторами, определяющими характеристики реза, являются энергетические параметры процесса, к которым относятся мощность и интенсивность излучения, а также толщина материала и скорость резки (рис. 89).

При уровне мощности до 1 кВт можно резать сталь толщиной в несколько миллиметров со скоростями более одного метра в минуту. Однако такая мощность еще недостаточна

м/с 10

1,0 0.5

500 iOOOW.Br

Рис. 89. Влияние мощности лазерного излу- чения на скорость газолазерной резки различных металлов: / - нержавеющая сталь (ft-.3,2 мм); 2 -алюминий (А=0,8 мм); •3-низкоуглеродистая сталь (/t=2,3 мм); 4 - титаи (h = 1,5 мм)

для резки толстых листов высокотеплопроводных материалов, таких как медь и алюминий. Ростмощности излучения до 20 кВт позволяет резать с высокой скоростью и эти материалы даже без подачи.газа в зону реза.

Для невоспламёняющихся материалов газовая струя выполняет в основном функции очистки зоны резания, выдувая продукты испарения и жидкий расплав из зоны резания, а также способствует охлаждению прилегающих участков материала. Последнее особенно важно при резке диэлектрических материалов без обугливания и оплавления.

Энергетические условия резки можно характеризовать помощью удельной энергии резания ерез - характеристики материала, не зависящей от условий резки (см. табл. 7.1)

Таблица 7.1

(7.1)

где р-плотность материала, "W-мощность излучения лазера, подводимая в зону резания, biW-потери мощности за счет теплопроводности и уноса обдуваемым газом.

Для газолазерной резки в левой части выражения (7.1) необходимо учесть выделение (или поглощение) энергии за счет химических реакций материала со струей газа:

(рез - rQx) РЛ5 = W-A 117,

где Qx -удельное энерговыделение химических реакций м( •жду долей у материала и обдувающим газом.

7.1.5. Пробивка отверстий лазером

Одно из Первых применений лазера в технологии было связано с пробивкой отверстий. Лазер оказывается эффективным для изготовления небольших отверстий в соплах, форсунках, фильерах, специальных диафрагмах и мембранах. Для этих целей используются, как правило, импульсные ла-

зеры. На рис. 90 показано изменение осевого сечения отверстия в листе алюминия толщиной 1,6 мм, полученного рубиновым лазером, который фокусировался с помощью линзы с фокусным расстоянием 30 мм. По мере увеличения энергии импульса возрастают как глубина, так и диаметр отверстия. Размер отверстия изменяется по глубине. Точность и качество лазерной пробивки в наибольшей степени определяются объемом жидкой фазы в продуктах разрушения. Длительность импульса обусловливает количество жидкости и разброс параметров отверстий.

Значительное влияние на эти параметры оказывает пространственная и временная структура световых импульсов.

J,i 0,2 О О 0,t 0,2 0,5 0,4 пм

Баланс энергии при лазерной резке определяется для скорости резки V, толщины материала h и ширины реза б выра- г жением

Рис. 90. Изменение формы отверстий в алю- миииевой пластине в зависимости от энергии .тазерного импульса

поэтому требования к характеристикам лазеров, используемых для пробивки отверстий, очень высоки. С помощью одиночного лазерного импульса с высокой энергией или последовательности импульсов можно пробить отверстия в металлических листах толщиной до 13 мм, хотя в основном лазер используется для отверстий глубиной менее 1 мм.

Для того чтобы уменьшить степень неровности стенок отверстий, осуществляют продувку отверстий газом в процессе лазерной пробивки. Чтобы пробить отверстия диаметром более 1 мм лазерным лучом, требуются значительные энергии импульса, если при этом предполагается испарение всего удаляемого материала. Один из путей решения этой проблемы - замена пробивки резкой, однако такой способ сильно услож-

няет технологический процесс. Кроме того, края обрабатываемого отверстия имеют неровности не менее радиуса пятна обработки. Для отверстий достаточно простых форм большого диаметра целесообразно формировать луч лазера в соответствии с размерами и формой контура отверстия и затем направлять его на обрабатываемый материал. На рис. П1 приведена принципиальная оптическая схема лазерной пробивки отверстий с помощью конической линзы (аксикона). Получение отверстий осуществляется следующим образом: с помощью конической линзы 3 и объектива 4 лазерное излучение концентрируют по заданному контуру на детали 5. Размеры контура обработки можно изменять в значительном диапазоне, меняя фокусное расстояние объектива. Поворачивая плоскопараллельную пластинку 2 под разными углам к оптической оси и вокруг нее, можно плавно изменять рас пределение мощности по обрабатываемому контуру. Таки

Рис. 91. Оптическая схема пробивки отверстий большого диаметра: лазер, 2 -пластина, 3 -коническая линза, 4 - объектив, 5 - деталь

способом получают точные отверстия высокого качества диаметром до 3 мм. В некоторых областях применение лазеров для пробивки отверстий достигает промышленного значения. Среди них - пробивка отверстий в алмазах, иредназначен-ных для изготовления фильер для вытягивания проволоки, а также в рубиновых камнях для часов, пробивка отверстий в керамике плат электронных схем-и т. д.

7.2. Лазеры в космических исследованиях

7.2.1. Лазерные информационные системы (ЛИС)

Использование лазерных систем связи в космосе позволяет: - передать значительно большие объемы информации в единицу времени, чем в радиочастотном диапазоне;

- преодолеть ограниченность радиочастотного спектра, выделенного для радиосвязи;

- повысить направленность излучения, что может обеспечить высокую скрытность и помехозащищенность линий связи благодаря малой расходимости луча.

Во.чможности лазерных систем позволяют рассматривать их применение по линиям «космос-космос», «космос-Земля» и «Земля-космос». Принципы построения лазерных информационных систем во многом определяются типом используемого лазера.

В настоящее время ведутся работы по созданию ЛИС на основе использования электроразрядных СОг-лазеров (?i = = 10,6 мкм), полупроводниковых лазеров на арсениде галлия (л = 0,85 мкм), твердотельных лазеров ИАГ: Nd (?.= 1,06 мкм, Я = 0,53 мкм), эксимерных лазеров иа КгРг с преобразованием излучения из ультрафиолетового диапазона в видимый с ?1»<0.5 мкм.

Лазеры последних двух типов считаются перспективными для использования в космических системах связи с подводными лодками.

Возможная конфигурация космической системы передачи информации, которая должна обладать информационной пропускной способностью не менее 300 Мбит/с, представлена на рис. 92. При разработке системы исходили из совместного использования спутников-ретрансляторов на геостацпонарной

Рис. 92. Лазерная система передачи информации: / - спутники на геостационарной орбите, 2 -лазерные каналы, 3 - СВЧ-канал, 4 - спутники на низких орбитах