Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов реферат

Обновлено: 05.07.2024

Бурное развитие науки и техники в последние десятилетия обусловило необходимость создания новых материалов, обладающих высокой твердостью, прочностью, жаропрочностью и коррозионной стойкостью. К таким материалам относятся высокопрочные и нержавеющие стали, жаропрочные сплавы, магнитные сплавы, твердые сплавы, полупроводники и др. Обработка таких материалов традиционными методами резания (см. Металлорежущие станки и инструмент) сопряжена с большими трудностями, а иногда и невозможна.
В этих условиях целесообразно применять электрофизические и электрохимические методы обработки.

Файлы: 1 файл

Введение.doc

Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"

по дисциплине "Физико-химические основы технологических процессов"

на тему "Электрохимические методы обработки материалов"

студентки I курса ФММ

Проверил: Малафеев Ю.М.

Введение

В этих условиях целесообразно применять электрофизические и электрохимические методы обработки.

Их достоинства следующие:

1) механические нагрузки либо отсутствуют, либо настоль ко малы, что практически не влияют на суммарную погрешность точности обработки;

2) позволяют изменять форму обрабатываемой поверхнос ти заготовки (детали);

3) позволяют влиять и даже изменять состояние поверхностного слоя детали;

4) не образуется наклеп обработанной поверхности;

5) дефектный слой не образуется;

6) удаляются прижоги поверхности, полученные при шл ифовании;

7) повышаются: износостойкость, коррозионная стойкость, прочность и другие эксплуатационные характеристики поверхностей деталей.

Кинематика формообразования поверхностей деталей электрофизическими и электрофизическими методами обработки, как правило, проста, что обеспечивает точное регулирование процессов и их автоматизацию.

На обрабатываемость деталей такими методами (за исключением ультразвукового) не влияют твердость и вязкость материала детали.

Историческая справка.

В науке и технике …. разрушение контактов под действием электрических разрядов было известно давно. В частности, искровые и дуговые разряды возникают при разрыве или отключении электрических цепей. Электрической эрозии подвержены контакты реле, выключателей, рубильников и других подобных устройств. Электрическая эрозия – очень вредное явление, сокращающее срок службы и снижающее надежность электрических устройств. Много исследований было посвящено устранению, или хотя бы уменьшению такого разрушения контактов.

Над этой проблемой в годы Великой Отечественной войны работали ученые Б.Р.Лазаренко и Н.И.Лазаренко. За изобретение ЭЭО они были удостоены Государственной премии СССР. Позднее Б.Р.Лазаренко был избран академиком АН Молдавской ССР, где и работал до конца жизни (1910….1979 г.г.).

Большой вклад в развитие методов ЭЭО советские ученые и инженеры Б.Н.Золотых, А.Л.Лившиц, Л. С. Палатник, М. Ш.Отто и другие.

Разработка основ электрохимического метода и технологического его применения принадлежит талантливому ученому В.Н.Гусеву (1904…1956 г.г.). В 1929 г. он получил патент на ЭХО. Первые опыты по размерной электрохимической обработке металлов были проведены в 40-х годах прошлого столетия. В 1954 г. он получил патент на заточку сверл с вершинами из карбидов. В последующие годы, как самим Гусевым, так и другими учеными были разработаны различные варианты электрохимической технологии и созданы основы теории электрохимического метода.

Начальный период развития метода характеризуется тем, что наряду с его использованием в производстве (для получения профиля пера турбинных и компрессорных лопаток, ковочных штампов, пресс форм, кольцевых деталей, прошивки отверстий и щелей, заточки инструмента, удаления заусенцев и др.) происходило накопление экспериментальных и статических данных; делались попытки теоретических обобщений, которые позволили бы заранее, без испытаний, предсказать конечные результаты обработки.

Позже появилось стремление к выявлению основных зависимостей процесса, которые позволяют управлять процессом электрохимической обработки. Попытка обобщения накопленного материала в области теории и практики электрохимической обработки с учетом опыта отечественных и зарубежных заводов сделана в монографии И.И.Мороза и др.[4].

В настоящее время значительные успехи достигнуты в области моделирования электрических полей и решении задач формообразования поверхности при ЭХО, сделаны попытки аналитического расчета простых форм инструментов, обеспечивающих достаточно высокую точность изготовления отверстий и полостей. Созданы математические модели, учитывающие гидродинамику потока электролита, для определенной формы поверхности, получаемой при ЭХО, и методики определения погрешностей, припусков и качества обработки.

В области теории разработаны оригинальные методики прогнозирования обрабатываемости металлов и сплавов в условиях ЭХО.

Быстрое развитие технологически развитых отраслей промышленности (авиационной, ядерной и т.д.) сопровождалось повышением доли использования труднообрабатываемых сплавов. Характер металлообработки начинает изменяться. Традиционные способы резания металлов больше не соответствуют современным требованиям. Хотя скорость резания таких материалов, как низкоуглеродистая сталь, в результате успехов технологии станкостроения и режущих инструментов удваивается примерно каждые 10 лет, предельная прочность на разрыв материалов, которые можно обрабатывать, например, со скоростью 30 м / мин, удваивается примерно только каждые 50 лет. Кроме того, предельная прочность на разрыв используемых материалов, по-видимому, удваивается примерно каждые 20 лет. Следовательно, уже наблюдается упадок технологии металлообработки в некоторых отраслях промышленности.

Предпринимались попытки преодолеть трудности обработки труднообрабатываемых материалов путем горячей обработки, или путем применения абразивных методов или таких как У.З. обработка. Успех, однако был частичным. Необходимы методы, при которых скорость обработки не зависела бы от твердости детали.

Наметились два основных направления в решении данной проблемы: термические и химические методы обработки.

Термические методы обработки основаны на том, что путем концентрации энергии на маленьком участке детали материал можно расплавить и испарить. Энергия может подаваться в форме:

— теплоты — газопламенная или плазменная обработка;

— электронная бомбардировка — электронный луч и электрическая эрозия.

Из термических существует только один метод, который уже позволяет экономически выгодно удалять довольно большое количество металла с детали со значительной степенью точности: — это процесс электрической эрозии, который разрабатывается с 1940 г.

Однако скорость, с которой можно удалять металл электроискровым методом при условии высокого класса чистоты поверхности, ограничена, более того, высокая производительность процесса приводит к часто наблюдаемому повреждению поверхности, что делает этот способ во многих случаях непригодным. Следовательно, ни один из термических методов не решает полностью проблемы обработки высокопрочных металлов в широком масштабе.

Химические методы, кроме способов травления, включают электрохимическую обработку. Этот метод можно использовать для обработки особо твердых и вязких электропроводных материалов (не зависимо от твердости или прочности детали — скорость съема металла не меняется). При этом достигается:

— высокая скорость съема металла (более 1000 мм/мин);

— высокий класс точности;

— отсутствует износ инструмента;

— отсутствуют остаточные напряжения;

— отсутствуют повреждения материала детали;

— отсутствуют заусенцы на кромках реза.

К числу современных технологических процессов, получивших за последние 30…40 лет практическое применение, принадлежит ультразвуковая размерная обработка труднообрабатываемых материалов (кварц, керамика, фарфор, ферриты, кремний, германий, цветные поделочные и полудрагоценные камни). Сущность ультразвуковой размерной (абразивной) обработки твердых хрупких материалов состоит в направленном разрушении обрабатываемого материала под действием ударов абразивных зерен, находящихся между поверхностями материала и инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой в продольном (осевом) направлении. Частота — 18…25 тыс. ударов в секунду. Число зерен, участвующих в резании — 30…100 тыс. на один квадратный сантиметр площади. Это разновидность механической обработки материалов. Ультразвуковые процессы основаны на использовании механических колебаний, распространяющихся в газах, жидкостях и твердых телах.

Бурное развитие квантовой электроники, в значительной мере обусловленное выдающимися достижениями научных школ академиков Н. Г. Басова и А. М. Прохорова, удостоенных совместно с американским ученым Ч. Таунсом Нобелевской премии, привело к созданию принципиально новых источников энергии — лазеров. Лазерное излучение характеризуется гигантской концентрацией энергии, сфокусированной на чрезвычайно малую площадь, теоретически соизмеримую с квадратом длины волны излучения.

Лазер – это генератор электромагнитных волн в диапазоне ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучений. Начиная с конца 60-х годов прошлого столетия лазеры (небольшой мощности) получили первое применение в технологии обработки материалов (сначала в приборостроении). Большие потенциальные возможности заложены в применении процессов, осуществляемых с помощью импульсного нагружения — высоковольтный электрический разряд в жидкости — электрогидравлическая обработка. Впервые на разрушительную силу электрического разряда указано в 18 столетии (1767 … 1769 г.г.) .

Экспериментальное устройство того времени включало все основные элементы современной установки для осуществления импульсного разряда:

— конденсатор (лейденская банка);

— коммутирующий элемент (воздушный шаровой разрядник);

— электроды, погруженные в жидкость.

Опытная проверка промышленного испытания электрогидравлическо й обработки началась с середины 50-х годов и установила ряд преимуществ перед методами, использующими в качестве источника энергии – взрывчатые вещества в режиме взрывного химического превращения:

— возможность управления процессом накопления и выделения энергии;

— отсутствие источников повышенной опасности после отключения установки;

— простота и низкая себестоимость оснастки.

1). Формообразование и калибровка деталей из пространственных заготовок диаметром 200 … 1100 мм при высоте до 1100 мм и толщине до 5 мм и др.;

2). Очистка от окалины и неметаллических покрытий отл ивок из цветных и черных металлов весом от 1кг до 10 …15 т.

Большая роль в развитии технологии электрогидравлической обработки машиностроительных материалов принадлежит С. М. Поляку, Л. А. Юткину, К. Н. Богоявленскому, Б. Г.Красичковой и др. (Физико-технический институт АН БССР)

Электрохимическая обработка

Честь открытия новых способов обработки принадлежит русским и советским ученым. Известный русский химик Е.И.Шпитальный в 1911г. разработал процесс электролитического полирования. В 1928 г. В.Н.Гусев применил этот процесс для размерной обработки станин крупных металлорежущих станков. Электролит не прокачивался. Катод-плиту на время убирали и ручным инструментом удаляли слой продуктов растворения. Процесс был трудоемким и медленным. В.Н.Гусев и Л.А.Рожков предложили уменьшить зазор между электродами до десятых долей мм, а электролит принудительно прокачивать через межэлектродный промежуток. Это было рождением нового вида обработки — размерной электрохимической обработки (ЭХО) – за счет анодного растворения металла.

Полученные в годы войны результаты по изучению основных физико-химических закономерностей процессов не утратили своего значения и до сего времени. В 1948г. была создана электрохимическая установка для изготовления отверстий в броневой стали. Тогда же были проведены первые опыты по обработке турбинных лопаток. Значительные успехи в развитии теории и совершенствовании технологии были достигнуты благодаря работам Ю.Н. Петрова, И.И .Мороза, Л.Б. Дмитриева и др. [1,2,4].

Существует несколько основных схем электрохимической обработки.

1). Обработка с неподвижными электродами.

По этой схеме получают местные облегчения в деталях, отверстия в листовых материалах, наносят информацию (порядковые номера, шифры изделий и др.), удаляют заусенцы.

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

Электрофизические и электрохимические методы обработки

Общее название методов обработки конструкционных материалов непосредственно электрическим током, электролизом и их сочетанием с механическим воздействием. В Э. и э. м. о. включают также методы ультразвуковые, плазменные и ряд других методов. С разработкой и внедрением в производство этих методов сделан принципиально новый шаг в технологии обработки материалов — электрическая энергия из вспомогательного средства при механической обработке (осуществление движения заготовки, инструмента) стала рабочим агентом. Всё более широкое использование Э. и э. м. о. в промышленности обусловлено их высокой производительностью, возможностью выполнять технологические операции, недоступные механическим методам обработки. Э. и э. м. о. весьма разнообразны и условно их можно разделить на электрофизические (электроэрозионные, электромеханические, лучевые), электрохимические и комбинированные (рис. 1).

Электрофизические методы обработки

Электроэрозионная обработка основана на вырывании частиц материала с поверхности импульсом электрического разряда. Если задано напряжение (расстояние) между электродами, погруженными в жидкий диэлектрик, то при их сближении (увеличении напряжения) происходит пробой диэлектрика — возникает электрический разряд, в канале которого образуется плазма с высокой температурой.

Т. к. длительность используемых в данном методе обработки электрических импульсов не превышает 10—2 сек, выделяющееся тепло не успевает распространиться в глубь материала и даже незначительной энергии оказывается достаточно, чтобы разогреть, расплавить и испарить небольшое количество вещества. Кроме того, давление, развиваемое частицами плазмы при ударе об электрод, способствует выбросу (эрозии) не только расплавленного, но и просто разогретого вещества. Поскольку электрический пробой, как правило, происходит по кратчайшему пути, то прежде всего разрушаются наиболее близко расположенные участки электродов. Т. о., при приближении одного электрода заданной формы (инструмента) к другому (заготовке) поверхность последнего примет форму поверхности первого (рис. 2). Производительность процесса, качество получаемой поверхности в основном определяются параметрами электрических импульсов (их длительностью, частотой следования, энергией в импульсе). Электроэрозионный метод обработки объединил электроискровой и электроимпульсный методы.

Электроискровая обработка была предложена советскими учёными H. И. и Б. Р. Лазаренко в 1943. Она основана на использовании искрового разряда (См. Искровой разряд). При этом в канале разряда температура достигает 10000 °С, развиваются значительные гидродинамические силы, но сами импульсы относительно короткие и, следовательно, содержат мало энергии, поэтому воздействие каждого импульса на поверхность материала невелико. Метод позволяет получить хорошую поверхность, но не обладает достаточной производительностью. Кроме того, при этом методе износ инструмента относительно велик (достигает 100% от объёма снятого материала). Метод используется в основном при прецизионной обработке небольших деталей, мелких отверстий, вырезке контуров. твердосплавных штампов

Прогрессивные методы обработки материалов, одно из крупнейших достижений отечественной техники последних десятилетий, представляет собой одно из таких новых технологических направлений, реализация которых означает революцию в промышленном производстве.

Прикрепленные файлы: 1 файл

referat.doc

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Владимирский Государственный Университет

Электрохимическая обработка материалов, ее характеристика.

Выполнил: ст. гр. 3 Тсд-112 Куманеев Ю.С

Обладающие исключительной технологической гибкостью, почти не зависимые от механической прочности обрабатываемых материалов, легко поддающиеся механизации и автоматизации, экономически высокоэффективные при рациональном использовании методы электрофизической и электрохимической обработки заняли уже заметное, хотя пока и недостаточное, место среди методов и процессов прогрессивной технологии обработки материалов.

Благодаря этим методам удалось значительно уменьшить трудности, сопровождавшие внедрение твердых сплавов в промышленность, облегчить переход к широкому использованию труднообрабатываемых материалов, в том числе неметаллических и интерметаллических, решить ряд сложных конструкторско-технологических задач, связанных с производством изделий новой техники. Степень теоретической изученности и уровень развития, масштабы промышленного распространения, оснащенность серийным оборудованием, экономическая эффективность и ряд других показателей, характеризующих состояние этих методов, весьма различны, что естественно, учитывая их новизну и специфичность.

Однако даже и в настоящее время, на начальных ступенях развития, электрофизические и электрохимические методы показали себя весьма прогрессивными и перспективными. Эта перспективность особенно подчеркнута включением их в число важнейших направлений технического прогресса на ближайшие десятилетия.

Электрофизическими и электрохимическими (ЭФЭХ) методами обработки материалов условно называют большую группу новых методов технологии, применяемых для удаления материала с обрабатываемых поверхностей его переноса, формообразования деталей или структурных преобразований, осуществляемых с помощью электрической энергии, вводимой непосредственно в зону обработки (группа I) либо с предварительным специальным преобразованием вне рабочей зоны в другие виды энергии - световую, акустическую, магнитную, тепловую (группа II).

Группа I охватывает методы электрохимической, анодно-механической, электроэрозионной электроконтактной обработки, нагрева в электролите и некоторые другие.

К группе II относятся ультразвуковые, светолучевые, плазменные, электроннолучевые, электровзрывные и некоторые другие методы, при осуществлении которых происходят специальные преобразования электрической энергии.

Промежуточное место занимают так называемые комбинированные методы, сочетающие элементы групп I и II.

Следует отметить, что общепринятой классификации ЭФЭХ методов пока нет. Например, такие методы разделяют на два класса - методы, осуществляемые процессами, аналогичными обработке давлением (магнитоимпульсная, электрогидравлическая и т. д.) и механической обработке резанием.

Известно разделение электрофизических методов на методы обработки токопроводящих материалов (например, электроэрозионные), методы импульсного ударного механического воздействия на материал (например, ультразвуковые), лучевые методы (например, светолучевая обработка).

Рисунок 1.Способы ЭФХО

2. Электрохимическая обработка

Электрохимическими называются методы обработки металлов, основанные на использовании явлений электролиза, т. е. явлений, имеющих место при прохождении электрического тока через растворы электролитов. В большинстве современных методов используется преимущественно процесс анодного растворения, т. е. перехода металла, помещенного в электролитическую ванну в качестве анода, из металлического состояния в различные неметаллические соединения (соли, гидроокиси, окислы). Принципиальная схема протекания электролиза представлена на рис. 2.

Рисунок 2 Ппринципиальная схема проведения электролиза

В процессе электролиза водных растворов различных электролитов (кислых, щелочных, нейтральных) происходит одновременно ряд различных реакций, среди которых для электрохимической обработки наибольшее значение имеют следующие.

1. Электролиз воды:

2ОН - - 2е →Н₂О + О; О + О → О₂ (газ), или

2Н + + 2е → Н₂ (газ), или

где е — обозначает единичный отрицательный заряд (электрон). Продуктами электролиза воды являются газы (кислород и водород), непрерывно удаляющиеся из сферы реакции.

2. Переход металла анода из металлического состояния (Ме°) в ионное состояние, происходящий в результате отдачи металлом электронов:

где п — число единичных зарядов,

3. Образование различных металлических соединений, состав которых определяется химическим составом электролита или продуктов электролиза.

В кислых растворах

где R - обозначает кислотный остаток (анион), например С1 - , SO 2- ₄, PO 3- ₄ и др.

При растворении железа в соляной кислоте

Fe 3+ +3CI - ® Fе(С1)з.

В нейтральных и щелочных растворах

Ме n+ + п ОН - ® Me (OH)n

Fe 3+ + 3ОН - ® Fe (ОН)з,

На схеме рис. 3, б представлены направления и характер основных сил, определяющих переход металла в раствор при анодном растворении

На рис. 3, в показан также схематически процесс электролиза в растворе хлористого натрия (NaCI).

Как видно из приведенных выше схем реакций, анодное растворение в нейтральных электролитах сопровождается образованием гидратов окиси металла Me (ОН)_n которые, являясь практически нерастворимыми в электролите, выпадают в осадок, пассивирующий растворяемую поверхность и забивающий межэлектродный зазор. Для удаления осадков из зоны обработки электролиту придается большая скорость движения в промежутке между электродами, что является специфической особенностью всех операций размерной электрохимической обработки в нейтральных электролитах. Одновременно движение электролита позволяет выполнять обработку при повышенных плотностях тока (до сотен ампер на квадратный сантиметр), так как способствует удалению образующихся при этом больших количеств гидроокисей, а также охлаждению электролита, нагреваемого токами большой силы.

При проведении электрохимической обработки в кислых растворах (например, электрополирование или электрохимическое травление), когда продукты реакции достаточно хорошо растворимы в электролите, а плотности тока относительно невелики (не более 2—3 а/см 2 ) обработка осуществляется в неподвижном (стационарном) либо медленно перемешиваемом электролите.

Операции электрохимической обработки, осуществляемые по одному и тому же принципу, могут быть условно разделены на две различные (по технике проведения и результатам) группы:

1) электрохимическая обработка при невысокой плотности тока в стационарном электролите (ЭХС);

2) электрохимическая обработка при высокой плотности тока в проточном электролите (ЭХП).

К достоинствам электрохимической размерной обработки в проточном электролите (ЭХП) относятся: высокая производительность, достигающая десятков тысяч кубических миллиметров в минуту и принципиально не имеющая ограничений роста; полное отсутствие износа (нулевой износ) электрода-инструмента; возможность повышения чистоты и точности обработки при одновременном повышении производительности, чего нет ни у одного из других механических или ЭФЭХ методов обработки; высокая чистота обработанной поверхности; наличие некоторого саморегулирования процесса при растворении сплавов неоднородного кристаллического строения, приводящее к равномерному растворению их поверхности. Недостатки: высокая энергоемкость процесса: необходимость принятия специальных мер для удаления или обработки отходов (осадков гидроокисей и газов); затруднительность управления процессом при обработке сложнопрофилированных деталей с высокой точностью; необходимость обеспечения интенсивной циркуляции электролита в процессе обработки; некоторое снижение выхода по току при возрастании плотности тока.

К достоинствам электрохимической обработки в стационарном электролите (ЭХС) относятся: возможность получения поверхностей с высокими классами чистоты у сложнопрофилированных изделий; отсутствие необходимости в специальном инструменте. Недостатки: невысокая удельная производительность и затруднительность форсирования ее повышением плотности тока; чувствительность к изменениям состояния и состава электролита, проявляющаяся в нарушении стабильности процесса; существенное влияние неоднородности строения и состава обрабатываемых деталей на качество получаемой поверхности; недостаточная универсальность применяемых электролитов по отношению к различным металлам и сплавам.

Рисунок. 4 Принципиальная схема электрохимической обработки

На рис. 4 показана принципиальная схема электрохимической обработки в стационарном электролите для наиболее типичной операции — электролитического шлифования или полирования. Прохождение электрического тока через электролит 3 и электроды 8 и 5 (рис. 2) сопровождается растворением поверхности анода 5 в электролите 3 и образованием продуктов растворения 6, которые задерживаясь в углублениях шероховатой поверхности, изолируют последние от проходящего тока, сосредотачивая его силовые линии 7 на незащищенных выступах поверхности анода.

Рисунок 5. Схема ЭХО в стационарном электролите.

1 – источник тока; 2 – делитель напряжения;

3- электролит; 4 – ванна; 5 – обрабат. деталь – анод; 6 – пленка продуктов растворения во впадинах шероховатостей; 7 – силовые линии тока; 8 – катод.

Выступы растворяются значительно быстрее впадин и поверхность сглаживается.

Рисунок. 6. Принципиальная схема электрохимической обработки в проточном электролите - копирования профиля (а) и воспроизведение профиля катода в аноде (прошивание) путем электрохимической обработки в проточном электролите (б)

На рис.6 показаны принципиальные схемы электрохимической отработки в проточном электролите. Прохождение тока между катодом-инструментом 3 и анодом-заготовкой 1 в присутствии потока электролита 2 сопровождается растворением поверхности анода и воспроизведением на ней профиля катода-инструмента в виде углубления 4 негативной формы.

3.Физико-химическая сущность метода электрохимической обработки

Электрохимическая размерная обработка (ЭХРО) основана на принципе локального анодного растворения металлической заготовки при высокой плотности постоянного тока в проточном электролите (Рис.1). Анодное растворение (формообразование) заготовки производится без контакта между электродами на некотором расстоянии друг от друга, т. е. межэлектродном зазоре (МЭЗ) путем воздействия электрического поля, конфигурация которого формируется электродом-инструментом.

Процесс подчиняется законам электролиза и протекает в небольшом от 0,01 до 0,3мм МЭЗ.

Явления, протекающие в МЭЗ на границе металл-электролит, представляют собой совокупность взаимосвязанных процессов физического, химического и электрохимического характера. При выключенном источнике постоянного тока электроды в электролите находятся в равновесном состоянии (нейтральном). Для создания условий непрерывного растворения анода (заготовки), происходит смещение потенциала от равновесного значения за счет подключения внешнего источника тока. Чем оно больше, тем интенсивнее скорость электрохимического процесса и растворение анода.

Введение
Изобретение лазера стоит в одном ряду с наиболее выдающимися достижениями науки и техники XX века. Первый лазер появился в 1960 г., и сразу же началось бурное развитие лазерной техники. В короткое время были созданы разнообразные типы лазеров и лазерных устройств, предназначенных для решения конкретных научных и технических задач. Лазеры уже успели завоевать прочные позиции во многих отраслях народного хозяйства. Как заметил академик А.П. Александров, “всякий мальчишка теперь знает слово лазер”. И все же, что такое лазер, чем он интересен и полезен? Один из основоположников науки о лазерах - квантовой электроники - академик Н.Г. Басов отвечает на этот вопрос так: “Лазер - это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля - лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает несравненно более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметра порядка длины световой волны и получить плотность энергии, превышающую на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва.

С помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, напряженности магнитного поля. Наконец, лазерный луч является самым емким носителем информации и в этой роли - принципиально новым средством ее передачи и обработки”. Широкое применение лазеров в современной науке и технике объясняется специфическими свойствами лазерного излучения. Лазер - это генератор когерентного света. В отличии от других источников света (например, ламп накаливания или ламп дневного света) лазер дает оптическое излучение, характеризующееся высокой степенью упорядоченности светового поля или, как говорят, высокой степенью когерентности. Такое излучение отличается высокой монохроматичностью и направленностью. В наши дни лазеры успешно трудятся на современном производстве, справляясь с самыми разнообразными задачами. Лазерным лучом раскраивают ткани и режут стальные листы, сваривают кузова автомобилей и приваривают мельчайшие детали в радиоэлектронной аппаратуре, пробивают отверстия в хрупких и сверхтвердых материалах. Причем лазерная обработка материалов позволяет повысить эффективность и конкурентоспособность по сравнению с другими видами обработки. Непрерывно расширяется область применения лазеров в научных исследованиях - физических, химических, биологических.

Замечательные свойства лазеров - исключительно высокая когерентность и направленность излучения, возможность генерирования когерентных волн большой интенсивности в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра, получение высоких плотностей энергии как в непрерывном, так и в импульсном режиме - уже на заре квантовой электроники указывало на возможность широкого их применения для практических целей. С начала своего возникновения лазерная техника развивается исключительно высокими темпами. Появляются новые типы лазеров и одновременно усовершенствуются старые: создаются лазерные установки с необходимым для различных конкретных целей комплексом характеристик, а также различного рода приборы управления лучом, все более и более совершенствуется измерительная техника. Это послужило причиной глубокого проникновения лазеров во многие отрасли народного хозяйства, и в частности в машино- и приборостроение.

Надо особо отметить, что освоение лазерных методов или, иначе говоря, лазерных технологий значительно повышает эффективность современного производства. Лазерные технологии позволяют осуществлять наиболее полную автоматизацию производственных процессов.

Огромны и впечатляющи достижения лазерной техники сегодняшнего дня. Завтрашний день обещает еще более грандиозные свершения. С лазерами связаны многие надежды: от создания объемного кино до решения таких глобальных проблем, как установление сверхдальней наземной и подводной оптической связи, разгадку тайн фотосинтеза, осуществление управляемой термоядерной реакции, появление систем с большим объемом памяти и быстродействующими устройствами ввода - вывода информации.

1. Классификация лазеров
Принято различать два типа лазеров: усилители и генераторы. На выходе усилителя появляется лазерное излучение, когда на его вход (а сам он уже находится в возбужденном состоянии) поступает незначительный сигнал на частоте перехода. Именно этот сигнал стимулирует возбужденные частицы к отдаче энергии. Происходит лавинообразное усиление. Таким образом - на входе слабое излучение, на выходе - усиленное. С генератором дело обстоит иначе. На его вход излучение на частоте перехода уже не подают, а возбуждают и, более того, перевозбуждают активное вещество. Причем если активное вещество находится в перевозбужденном состоянии, то существенно растет вероятность самопроизвольного перехода одной или нескольких частиц с верхнего уровня на нижний. Это приводит к возникновению стимулированного излучения.

Второй подход к классификации лазеров связан с физическим состоянием активного вещества. С этой точки зрения лазеры бывают твердотельными (например, рубиновый, стеклянный или сапфировый), газовыми (например, гелий-неоновый, аргоновый и т.п.), жидкостными, если в качестве активного вещества используется полупроводниковый переход, то лазер называют полупроводниковым.

Третий подход к классификации связан со способом возбуждения активного вещества. Различают следующие лазеры: с возбуждением за счет оптического излучения, с возбуждением потоком электронов, с возбуждением солнечной энергией, с возбуждением за счет энергий взрывающихся проволочек, с возбуждением химической энергией, с возбуждением с помощью ядерного излучения. Различают также лазеры по характеру излучаемой энергии и ее спектральному составу. Если энергия излучается импульсно, то говорят об импульсных лазерах, если непрерывно, то лазер называют лазером с непрерывным излучением. Есть лазеры и со смешанным режимом работы, например полупроводниковые. Если излучение лазера сосредоточено в узком интервале длин волн, то лазер называют монохроматичным, если в широком интервале, то говорят о широкополосном лазере.

Еще один вид классификации основан на использовании понятия выходной мощности. Лазеры, у которых непрерывная (средняя) выходная мощность более 106 Вт, называют высокомощными. При выходной мощности в диапазоне 105…103 Вт имеем лазеры средней мощности. Если же выходная мощность менее 10-3 Вт, то говорят о маломощных лазерах.

В зависимости от конструкции открытого зеркального резонатора различают лазеры с постоянной добротностью и лазеры с модулированной добротностью - у такого лазера одно из зеркал может быть размещено, в частности, на оси электродвигателя, который вращает это зеркало. В данном случае добротность резонатора периодически меняется от нулевого до максимального значения. Такой лазер называют лазером с Q-модуляцией.

2. Характеристики лазеров
Одной из характеристик лазеров является длина волны излучаемой энергии. Диапазон волн лазерного излучения простирается от рентгеновского участка до дальнего инфракрасного, т.е. от 10-3 до 102 мкм. За областью 100 мкм лежит, образно говоря, “целина”. Но она простирается только до миллиметрового участка, который осваивается радистами. Этот неосвоенный участок непрерывно сужается, и есть надежда, что его освоение завершится в ближайшее время. Доля, приходящаяся на различные типы генераторов, неодинакова. Наиболее широкий диапазон у газовых квантовых генераторов.

Другой важной характеристикой лазеров является энергия импульса. Она измеряется в джоулях и наибольшей величины достигает у твердотельных генераторов - порядка 103 Дж. Третьей характеристикой является мощность. Газовые генераторы, которые излучают непрерывно, имеют мощность от 10-3 до 102 Вт. Милливаттную мощность имеют генераторы, использующие в качестве активной среды гелий-неоновую смесь. Мощность порядка 100 Вт имеют генераторы на CO2. С твердотельными генераторами разговор о мощности имеет особый смысл. К примеру, если взять излучаемую энергию в 1 Дж, сосредоточенную в интервале в одну секунду, то мощность составит 1 Вт. Но длительность излучения генератора на рубине составляет 10-4 с, следовательно, мощность составляет 10000 Вт, т.е. 10 кВт. Если же длительность импульса уменьшена с помощью оптического затвора до 10-6 с, мощность составляет 106 Вт, т.е. мегаватт. Это не предел! Можно увеличить энергию в импульсе до 103 Дж и сократить ее длительность до 10-9с и тогда мощность достигнет 1012 Вт. А это очень большая мощность. Известно, что когда на металл приходится интенсивность луча, достигающая 105 Вт/см2, то начинается плавление металла, при интенсивности 107 Вт/см2 - кипение металла, а при 109 Вт/см2 лазерное излучение начинает сильно ионизировать пары вещества, превращая их в плазму.

Еще одной важной характеристикой лазера является расходимость лазерного луча. Наиболее узкий луч имеют газовые лазеры. Он составляет величину в несколько угловых минут. Расходимость луча твердотельных лазеров около 1…3 угловых градусов. Полупроводниковые лазеры имеют лепестковый раскрыв излучения: в одной плоскости около одного градуса, в другой - около 10…15 угловых градусов.

Следующей важной характеристикой лазера является диапазон длин волн, в котором сосредоточено излучение, т.е. монохроматичность. У газовых лазеров монохроматичность очень высокая, она составляет 10-10, т.е. значительно выше, чем у газоразрядных ламп, которые раньше использовались как стандарты частоты. Твердотельные лазеры и особенно полупроводниковые имеют в своем излучении значительный диапазон частот, т. е. не отличаются высокой монохроматичностью.

Очень важной характеристикой лазеров является коэффициент полезного действия. У твердотельных он составляет от 1 до 3,5%, у газовых 1…15%, у полупроводниковых 40…60%. Вместе с тем принимаются всяческие меры для повышения кпд лазеров, ибо низкий кпд приводит к необходимости охлаждения лазеров до температуры 4…77 К, а это сразу усложняет конструкцию аппаратуры.
2.1 Твердотельные лазеры
Твердотельные лазеры делятся на импульсные и непрерывные. Среди импульсных лазеров более распространены устройства на рубине и неодимовом стекле. Длина волны неодимового лазера составляет l = 1,06 мкм. Эти устройства представляют собой относительно большие стержни, длина которых достигает 100 см, а диаметр - 4-5 см. Энергия импульса генерации такого стержня - 1000 дж за 10-3 сек.

Лазер на рубине также отличается большой мощностью импульса, при длительности 10-3 сек его энергия составляет сотни дж. Частота повторения импульсов может достигать нескольких кГц.

Самые известные лазеры непрерывного действия изготавливаются на флюорите кальция с примесью диспрозия и лазеры на иттриево-алюминиевом гранате, в котором присутствуют примеси атомов редкоземельных металлов. Длина волны этих лазеров находится в области от 1 до 3 мкм. Мощность импульса составляет примерно 1 вт либо его доли. Лазеры на иттриево-алюминиевом гранате способы обеспечить мощность импульса до нескольких десятков вт.

Как правило, в твердотельных лазерах используется многомодовый режим генерации. Одномодовая генерация может быть получена при введении в резонатор селектирующих элементов. Подобное решение было вызвано снижением генерируемой мощности излучения.

Сложность производства твердотельных лазеров заключается в необходимости выращивания больших монокристаллов или варки больших образцов прозрачного стекла. Преодолеть эти трудности позволило изготовление жидкостных лазеров, где активная среда представлена жидкостью, в которую введены редкоземельные элементы. Тем не менее жидкостные лазеры имеют ряд недостатков, ограничивающих область их использования.
2.2 Жидкостные лазеры
Жидкостными называются лазеры с жидкой активной средой. Основным преимуществом этого вида устройств является возможность циркуляции жидкости и, соответственно, ее охлаждение. В результате и в импульсном, и в непрерывном режиме можно получить больше энергии.

Первые жидкостные лазеры производились на основе редкоземельных хелатов. Недостатком этих лазеров является низкий уровень достижимой энергии и химическая неустойчивость хелатов. В результате эти лазеры не нашли применения. Советские ученые предложили использовать в лазерной среде неорганические активные жидкости. Лазеры на их основе отличаются высокими импульсными энергиями и обеспечивают показатели средней мощности. Жидкостные лазеры на такой активной среде способны генерировать излучение с узким спектром частот.

Еще один вид жидкостных лазеров - устройства, работающие на растворах органических красителей, отличающихся широкими спектральными линиями люминесценции. Такой лазер способен обеспечить непрерывную перестройку длин излучаемых волн света в широком диапазоне. При замене красителей обеспечивается перекрытие всего видимого спектра и части инфракрасного. Источником накачки в таких устройствах являются, как правило, твердотельные лазеры, но возможно использование газосветных ламп, обеспечивающих короткие вспышки белого света (менее 50 мксек).
2.3 Газовые лазеры
Существует много разновидностей. Одна из них - фотодиссоционный лазер. В нем применяется газ, молекулы которого под влиянием оптической накачки диссоциируют (распадаются) на две части, одна из которых оказывается в возбужденном состоянии и используется для лазерного излучения.

Большую группу газовых лазеров составляют газоразрядные лазеры, в которых активной средой является разреженный газ (давление 1-10 мм рт. ст.), а накачка осуществляется электрическим разрядом, который может быть тлеющим или дуговым и создается постоянным током или переменным током высокой частоты (10-50 МГц).

Существует несколько типов газоразрядных лазеров. В ионных лазерах излучение получается за счет переходов электронов между энергетическими уровнями ионов. Примером служит аргоновый лазер, в котором используется дуговой разряд постоянного тока.

Лазеры на атомных переходах генерируют за счет переходов электронов между энергетическими уровнями атомов. Эти лазеры дают излучение с длиной волны 0,4-100 мкм. Пример - гелий-неоновый лазер, работающий на смеси гелия и неона под давлением около 1 мм рт. ст. Для накачки служит тлеющий разряд, создаваемый постоянным напряжением примерно 1000 В.

К газоразрядным относятся также молекулярные лазеры, в которых излучение возникает от переходов электронов между энергетическими уровнями молекул. Эти лазеры имеют широкий диапазон частот, соответствующий длинам волн от 0,2 до 50 мкм.

Наиболее распространен из молекулярных лазер на диоксиде углерода (СО2-лазер). Он может давать мощность до 10 кВт и имеет довольно высокий КПД - около 40%. К основному углекислому газу обычно ещё добавляют примеси азота, гелия и других газов. Для накачки применяют тлеющий разряд постоянного тока или высокочастотный. Лазер на диоксиде углерода создает излучение с длиной волны около 10 мкм. Схематически он показан на рис. 1.

Рис. 1 - Принцип устройства СО2-лазера
Разновидность СО2-лазеров - газодинамические. В них инверсная населенность, необходимая для лазерного излучения, достигается за счет того, что газ, предварительно нагретый до 1500 К при давлении 20-30 атм, поступает в рабочую камеру, где он расширяется, а его температура и давление резко снижаются. Такие лазеры могут дать непрерывное излучение мощностью до 100 кВт.

К молекулярным относятся так называемые эксимерные лазеры, у которых рабочей средой является инертный газ (аргон, ксенон, криптон и др.), либо его соединение с хлором или фтором. В таких лазерах накачка осуществляется не электрическим разрядом, а потоком так называемых быстрых электронов (с энергией в сотни кэВ). Излучаемая волна получается наиболее короткой, например, у лазера на аргоне 0,126 мкм.

Большие мощности излучения можно получить, если повысить давление газа и применить накачку с помощью ионизирующего излучения в сочетании с внешним электрическим полем. Ионизирующим излучением служит поток быстрых электронов либо ультрафиолетовое излучение. Такие лазеры называются электроионизационными или лазерами на сжатом газе. Схематически лазеры такого типа показаны на рис. 2.

Рис. 2 - Электроионизационная накачка
Возбужденные молекулы газа за счет энергии химических реакций получаются в химических лазерах. Здесь используются смеси некоторых химически активных газов (фтор, хлор, водород, хлористый водород и др.). Химические реакции в таких лазерах должны протекать очень быстро. Для ускорения применяются специальные химические агенты, которые получаются при диссоциации молекул газа под действием оптического излучения, или электрического разряда, или электронного пучка. Примером химического лазера может служить лазер на смеси фтора, водорода и углекислого газа.

Особый тип лазера - плазменный лазер. В нем активной средой служит высокоионизированная плазма паров щелочноземельных металлов (магний, барий, стронций, кальций). Для ионизации применяют импульсы тока силой до 300 А при напряжении до 20 кВ. Длительность импульсов 0,1-1,0 мкс. Излучение такого лазера имеет длину волны 0,41-0,43 мкм, но может также быть в ультрафиолетовой области.

Читайте также: