Лазеры и их применение (стр. 2 )

В активной среде ХЛ наряду с реакцией (1) протекают разнообразные столкновительные процессы с участием колебательно возбуждённых молекул. Эти процессы оказывают существенное влияние на формирование заселённостей и определяют выходные характеристики XЛ. Наиболее важным является процесс колебательно-поступательной релаксации колебательно возбуждённых молекул:, (2)

где М - молекулы, входящие в состав активной среды XЛ,
- колебательное квантовое число молекулы. Указанный процесс, в результате которого колебательная энергия молекулы, образовавшейся при протекании экзотермической реакции, преобразуется в тепло, разрушает инверсию населённостей в активной среде XЛ и ограничивает его выходные характеристики. Эффективное преобразование химической энергии в энергию лазерного излучения возможно только при условии, если характерное время протекания реакции (1) не превышает характерного времени процесса колебательной релаксации (2). Поскольку обычно при протекании газофазных хим. реакций выполняется противоположное условие, лишь незначительное число химически реагирующих систем пригодно для использования в качестве активной среды XЛ с высокими выходными характеристиками.

Основные параметры, характеризующие эффективность XЛ, – его химическое кпд hх (отношение энергии лазерного излучения к величине энергии, выделяющейся в результате хим. реакции) и т. н. электрический кпд hэ (отношение энергии лазерного излучения к энергии, затрачиваемой на инициирование хим. реакции). Т. к. энергия, требуемая для инициирования множественных экзотермических реакций, меньше энергии, которая выделяется в результате протекания таких реакций, то величина hэ не имеет принципиальных ограничений сверху и может превышать 100%. Например, электрический кпд XЛ на основе цепной реакции фтора с водородом (или дейтерием) в определённых условиях достигает 1000%.

(3), (4)

Это связано с особенностями протекания цепной хим. реакции, для инициирования которой достаточно создания незначительного количества химически активных радикалов. Однако величина hх лазеров со столь высоким значением hэ относительно невелика (~ 1 %), поскольку при малой начальной степени диссоциации молекул F2 время протекания цепной реакции оказывается много больше характерного времени разрушения инверсной населённости в результате межмолекулярных соударений, сопровождающихся колебательной релаксацией. В силу этого обстоятельства величина hx лазера на основе цепной реакции фтора с водородом с уменьшением начальной степени диссоциации молекул e спадает по закону hх~, в то время как для hэ справедлива зависимость hэ~1/. Отсюда следует, что использование цепной реакции не позволяет осуществить сколько-нибудь полное преобразование химической энергии в энергию лазерного излучения. В связи с этим наиболее мощные XЛ на основе HF, обладающие высоким значением hх (до 10%), работают на основе простых реакций замещения (табл.). Максимальная энергия излучения HF-лазеров в импульсном режиме достигает 10 кДж при длительности импульса в несколько десятков нc. Наиболее мощные XЛ на HF непрерывного действия работают при прокачивании активного вещества через резонатор со сверхзвуковой скоростью и характеризуются выходной мощностью в несколько кВт при hэ~24%.

Реакция	, ккал/моль		, мкм
	33,7	0,68	4,3 – 5,4
	97,8	0,53	2,8 – 3,7

В основе применений XЛ лежат, с одной стороны, их высокие кпд и мощность генерации, а с другой стороны - возможность получения генерации на большом числе переходов в широкой области ИК-спектра. Наряду с другими типами мощных лазеров XЛ используются в технологии обработки материалов, в установках по исследованию лазерного управляемого термоядерного синтеза, в системах лазерного зондирования атмосферы, в лазерной спектроскопии, лазерной химии и лазерном разделении изотопов.

3.6. Эксимерный лазер

ЭКСИМЕРНЫЙ ЛАЗЕР (ЭЛ) – газовый лазер, работающий на электронных переходах эксимерных молекул (молекул, существующих только в электронно-возбуждённых состояниях). Зависимость потенциальной энергии взаимодействия атомов эксимерной молекулы, находящейся в основном электронном состоянии, от межъядерного расстояния является монотонно спадающей функцией, что отвечает отталкиванию ядер. Для возбуждённого электронного состояния, являющегося верх, уровнем лазерного перехода, такая зависимость имеет минимум, определяющий возможность существования самой эксимерной молекулы (рис.). Время жизни возбуждённой эксимерной молекулы ограничено

Зависимость энергии эксимерной молекулы от расстояния R между составляющими её атомами X и Y; верхняя кривая - для верхнего лазерного уровня, нижняя кривая - для нижнего лазерного уровня. Значения соответствуют центру линии усиления активной среды, её красной и фиолетовой границам. временем её радиационного распада. Поскольку нижнее состояние лазерного перехода в ЭЛ опустошается в результате разлёта атомов эксимерной молекулы, характерное время которого (10с) значительно меньше времени радиационного опустошения верх, состояния лазерного перехода, газ, содержащий эксимерные молекулы, является активной средой с усилением на переходах между возбуждёнными связанными и основным разлётным термами эксимерной молекулы.

Основу активной среды ЭЛ составляют обычно двухатомные эксимерные молекулы - короткоживущие соединения атомов инертных газов друг с другом, с галогенами или с кислородом. Длина волны излучения ЭЛ лежит в видимой или ближней УФ-области спектра. Ширина линии усиления лазерного перехода ЭЛ аномально велика, что связано с разлётным характером нижнего терма перехода.

ЭЛ широко используются благодаря своим высоким энергетическим характеристикам, малой длине волны и возможности её плавной перестройки в довольно широком диапазоне. Мощные моноимпульсные ЭЛ, возбуждаемые электронными пучками, применяются в установках по исследованию лазерного нагрева мишеней с целью осуществления термоядерных реакций (например, KrF-лазер с HM, выходной энергией в импульсе до 100 кДж, длительностью импульса ~ 1 не). Лазеры с высокой частотой повторения импульсов, возбуждаемые импульсным газовым разрядом, используются в технологических целях при обработке изделий микроэлектроники, в медицине, в экспериментах по лазерному разделению изотопов, при зондировании атмосферы в целях контроля её загрязнения, в фотохимии и в экспериментальной физике в качестве интенсивного источника монохроматического излучения УФ - или видимого диапазона.

4. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ

С самого момента разработки лазер называли устройством, которое само ищет решаемые задачи. Лазеры нашли применение в самых различных областях — от коррекции зрения до управления транспортными средствами, от космических полётов до термоядерного синтеза. Лазер стал одним из самых значимых изобретений XX века.

4.1. Наука

4.1.1. Спектроскопия

Современные источники лазерного излучения дают в руки экспериментаторов монохроматический свет с практически любой желаемой длиной волны. В зависимости от поставленной задачи это может быть как непрерывное излучение с чрезвычайно узким спектром, так и ультракороткие импульсы длительностью вплоть до сотен аттосекунд (1 ас = 10−18 секунды). Высокая энергия, запасенная в этих импульсах, может быть сфокусирована на исследуемый образец в пятно, сравнимое по размерам с длиной волны, что дает возможность исследовать различные нелинейные оптические эффекты. С помощью перестройки по частоте осуществляются спектроскопические исследования этих эффектов, а управление поляризацией лазерного излучения позволяет проводить когерентный контроль исследуемых процессов.

4.1.2. Измерение расстояния до Луны

Во время полётов на Луну пилотируемыми и беспилотными аппаратами, на её поверхность было доставлено несколько специальных уголковых отражателей. С Земли при помощи телескопа посылали специально сфокусированный лазерный луч и измеряли время, которое он затрачивает на путь до лунной поверхности и обратно. Основываясь на значении скорости света (которое, кстати, специально для этих исследований пришлось отдельно измерять с большой точностью), стало возможным рассчитать расстояние до Луны. Сегодня параметры орбиты Луны известны с точностью до нескольких сантиметров.

4.1.3. Создание искусственных опорных звезд

Применение методов адаптивной оптики в наземных телескопах позволяет существенно повысить качество изображения астрономических объектов путем измерения и компенсации оптических искажений атмосферы. Для этого, в сторону наблюдения направляется мощный луч лазера. Излучение лазера рассеивается в верхних слоях атмосферы, создавая видимый с поверхности земли опорный источник света – искусственную звезду. Свет от нее, прошедший на обратном пути к земле через слои атмосферы, содержит информацию об оптических искажениях, имеющих место в данный момент времени. Измеренные таким образом атмосферные искажения компенсируются специальным корректором. Например, деформируемым зеркалом.

4.1.4. Фотохимия

Некоторые типы лазеров могут производить сверхкороткие световые импульсы, измеряемые пико- и фемтосекундами (10-12 – 10-15 с). Такие импульсы можно применять для запуска и анализа химических реакций. Сверхкороткие импульсы могут использоваться для исследования химических реакций с высокой разрешающей способностью по времени, позволяя достоверно выделять короткоживущие соединения. Манипуляция поляризацией импульса позволяет селективно выбирать направление химической реакции из нескольких возможных (когерентный контроль). Такие методы находят своё применение в биохимии, где с их помощью исследуют образование и работу белков.

4.1.5. Лазерное намагничивание

Сверхкороткие лазерные импульсы используются для сверхбыстрого управления магнитным состоянием среды, что является в настоящее время предметом интенсивных исследований. Уже открыто множество оптико-магнитных явлений, таких, как сверхбыстрое размагничивание за
200 фемтосекунд (2·10−13 с), тепловое перемагничивание светом и нетепловое оптическое управление намагниченностью с помощью поляризации света.

4.1.6. Лазерное охлаждение

Лазеры приспособили для непосредственного охлаждения молекул.

Первые опыты по лазерному охлаждению были проведены с ионами в ионных ловушках, ионы удерживались в пространстве ловушки с помощью электрического поля и/или магнитного поля. Эти ионы освещались лазерным пучком, и благодаря неупругому взаимодействию с фотонами теряли энергию после каждого соударения. Этот эффект используется для достижения сверхнизких температур. В дальнейшем, в процессе совершенствования лазеров, нашли и другие методы, такие как антистоксово охлаждение твёрдых тел – наиболее практичный метод лазерного охлаждения на сегодня. Этот метод основан на том, что возбуждается атом не с основного электронного состояния, а с колебательных уровней этого состояния (с чуть большей энергией чем энергия основного состояния) на колебательные уровни возбуждённого состояния (с энергией чуть меньше чем энергия этого возбуждённого состояния). Далее атом безызлучательным образом переходит на возбуждённый уровень (поглощая фононы) и испускает фотон при переходе с возбуждённого электронного уровня на основной (этот фотон обладает большей энергией, чем фотон накачки). Атом поглощает фонон и цикл повторяется. Уже существуют системы, способные охлаждать кристалл от азотных до гелиевых температур. Этот метод охлаждения идеален для космических аппаратов, где нет возможности ставить традиционную систему охлаждения.

4.1.7. Термоядерный синтез

Один из способов решить проблему удержания нагретой плазмы в ядерном реакторе может заключаться в использовании лазеров. При этом небольшой объём топлива облучается мощным лазерным излучением (иногда лазерное излучение предварительно трансформируется в рентгеновское) со всех сторон в течение небольшого (порядка нескольких наносекунд) промежутка времени. В результате облучения поверхность мишени испаряется, оказывая огромное давление на внутренние слои. Это давление сжимает мишень до сверхвысоких плотностей. В сжатой мишени могут протекать термоядерные реакции при достижении определённой температуры. Нагрев возможен как непосредственно силами давления, так и с использование дополнительного сверхмощного и сверхкороткого (порядка нескольких фемтосекунд) лазерного импульса.

4.1.8. Оптический (лазерный) пинцет

Оптический пинцет – прибор, который позволяет манипулировать микроскопическими объектами с помощью лазерного света (обычно испускаемого лазерным диодом). Он позволяет прикладывать к диэлектрическим объектам силы от фемтоньютонов до нано ньютонов и измерять расстояния от нескольких нанометров. В последние годы оптические пинцеты начали использоваться для изучения структуры и принципа работы белков.

4.2. Вооружение

4.2.1. Лазерное оружие

С середины 50-х годов XX века в СССР осуществлялись широкомасштабные работы по разработке и испытанию лазерного оружия высокой мощности, как средства непосредственного поражения целей в интересах стратегической противокосмической и противоракетной обороны. Среди прочих были реализованы программы «Терра» и «Омега». Испытания лазеров осуществлялись на полигоне Сары-Шаган (ПВО, ПРО, ПКО, СККП, СПРН) в Казахстане. После распада Советского Союза работы на полигоне Сары-Шаган были остановлены.

В середине марта 2009 года американская корпорация NorthropGrumman объявила о создании твердотельного электрического лазера мощностью около 100 кВт. Разработка данного устройства была произведена в рамках программы по созданию эффективного мобильного лазерного комплекса, предназначенного для борьбы с наземными и воздушными целями.

4.2.2. Лазерный целеуказатель

Револьвер, оснащённый лазерным целеуказателем.

Лазерный целеуказатель (ЛЦУ) — портативное устройство, генерирующее лазерное излучение в видимом или инфракрасном диапазоне спектра. Используется для ускорения и облегчения прицеливания на коротких и средних дистанциях стрельбы.

Лазерный луч формирует на цели яркую точку, соответствующую месту попадания пули, как если бы та двигалась прямолинейно, а не по баллистической траектории. Как правило, на дистанциях стрельбы от 50 до 300 метров (в зависимости от типа оружия) пуля движется практически прямолинейно, что позволяет с достаточно малой погрешностью (с учётом параллакса) приравнять место нахождения создаваемой ЛЦУ светящейся точки к месту попадания пули. Лазерный целеуказатель зачастую неправильно называют «лазерным прицелом».

Кроме стрелкового оружия, лазерный целеуказатель может также устанавливаться на арбалеты.

В большинстве случаев лазерный целеуказатель изготавливается на основе лазерного диода, который излучает в диапазоне 405 нм (фиолетовый, очень редко) или 635—670 нм (красный). Из-за технических особенностей данного типа излучателя наиболее часто используется лазерный луч красного цвета. Инфракрасные целеуказатели используют лазерные диоды длины волн 780, 808 и 850 нм (такие лазерные целеуказатели используют совместно со специальными прицелами, зачастую на основе приборов ночного видения). Излучение лазерного диода фокусируется в узкий луч за счёт двояковыпуклой линзы. Для производства лучей зелёного цвета используют несколько отличающуюся систему DPSS (твердотельный лазер с диодной накачкой с длиной волны 532 нм), увеличивающую массу и стоимость лазерного целеуказателя (но при этом обладающим серьёзным преимуществом: чувствительность глаза человека к зеленому цвету гораздо лучше, и при одинаковой мощности излучателя зеленое пятно видно лучше и дальше). Кроме собственно лазера и источника питания в состав лазерного целеуказателя входит специальное крепление, иногда позволяющее снимать и ставить ЛЦУ без потери точности установки. Оно должно также сохранять точную позицию лазерного целеуказателя при изменении температуры и влажности. Обычно также имеется механизм точной корректировки луча (характерные «трещотки», как на оптических прицелах). Ещё одно важное требование — лазерный целеуказатель должен выдерживать импульс отдачи оружия, для которого он предназначен. Термин также может обозначать часть системы лазерного наведения, облучающую цель. При этом, как правило, используется инфракрасный лазер с модулированным излучением. Его точку видит оператор оружия посредством специального электронно-оптического преобразователя. Кроме того, на эту точку наводится датчик в головной части ракеты или бомбы. Справедливости ради следует сказать, что такое устройство редко называют «ЛЦУ», поскольку это уже составная часть системы управления огнем.

4.2.3. Системы обнаружения снайперов

Принцип данных систем основывается на том, что луч, проходя через линзы, будет отражаться от какого-либо светочувствительного объекта (оптические преобразователи, сетчатка глаза и т. д.). Как преимущество – подобные системы являются активными, то есть обнаруживают снайперов до выстрела, а не после. С другой стороны эти системы демаскируют себя, так как являются излучателями. Такие системы выпускаются как в России, так и в других странах.

4.2.4. Постановка помех снайперам

Возможна постановка помех путем «сканирования» лазерным лучом местности, не позволяя вражеским снайперам вести прицельную стрельбу или даже наблюдение в оптические приборы.

4.2.5. Введение противника в заблуждение

В данном случае подразумевается «несмертельное» вооружение, главное назначение которого – предотвратить нападение со стороны противника. Устройство создаёт лазерный луч небольшой мощности, направляемый в сторону противника (в основном, эта технология используется против авиации и танков). Противник полагает, что на него нацелено высокоточное оружие, он вынужден спрятаться или отступить вместо нанесения собственного удара.

4.2.6. Дальномеры

Лазерный дальномер – устройство, состоящее из импульсного лазера и детектора излучения. Измерив время, за которое луч преодолевает путь до отражателя и обратно и зная значение скорости света, можно рассчитать расстояние между лазером и отражающим объектом. Лазерный дальномер – простейший вариант лидара. Лида́р (транслитерация LIDAR англ. LIght Detection and Ranging) – технология получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеивания в прозрачных и полупрозрачных средах.

Лидар как прибор представляет собой, как минимум, активный дальномер оптического диапазона. Сканирующие лидары в системах машинного зрения формируют двумерную или трёхмерную картину окружающего пространства. «Атмосферные» лидары способны не только определять расстояния до непрозрачных отражающих целей, но и анализировать свойства прозрачной среды, рассеивающей свет. Разновидностью атмосферных лидаров являются доплеровские лидары, определяющие направление и скорость перемещения воздушных потоков в различных слоях атмосферы.

Устоявшийся перевод LIDAR как «лазерный радар» не вполне корректен, так как в системах ближнего радиуса действия (например, предназначенных для работы в помещениях), главные свойства лазера: когерентность, высокая плотность и мгновенная мощность излучения — не востребованы, излучателями света в таких системах могут служить обычные светодиоды. Однако, в основных сферах применения технологии (исследование атмосферы, геодезия и картография) с радиусами действия от сотен метров до сотен километров, применение лазеров неизбежно.

Принцип действия

Принцип действия лидара не имеет больших отличий от радара: направленный луч источника излучения отражается от целей, возвращается к источнику и улавливается высокочувствительным приёмником (в случае лидара светочувствительным полупроводниковым прибором); время отклика прямо пропорционально расстоянию до цели. В отличие от радиоволн, эффективно отражающихся только от достаточно крупных металлических целей, световые волны подвержены рассеиванию в любых средах, в том числе в воздухе, поэтому возможно не только определять расстояние до непрозрачных (отражающих свет) дискретных целей, но и фиксировать интенсивность рассеивания света в прозрачных средах. Возвращающийся отражённый сигнал проходит через ту же рассеивающую среду, что и луч от источника, подвергается вторичному рассеиванию, поэтому восстановление действительных параметров распределённой оптической среды – достаточно сложная задача, решаемая как аналитическими, так и эвристическими методами.

4.2.7. Лазерное наведение

Другое военное применение лазеров – оружейные системы наведения. Такие системы представляют собой лазер небольшой мощности, «подсвечивающий» цель для боеприпасов с лазерным наведением – «умных» бомб или ракет, запускаемых с самолёта. Ракета автоматически меняет свой полет, ориентируясь на отраженное пятно лазерного луча на цели, обеспечивая, таким образом, высокую точность попадания. Лазерный излучатель может находиться как на самом самолёте, так и на земле. В устройствах лазерного наведения обычно используются инфракрасные лазеры, так как их работу проще скрыть от противника.

4.2.8. Лазерное стрелковое оружие (потенциально)

Первым военным применением лазеров, которое всем приходит на ум, обычно становится использование их в конструкции лазерного стрелкового оружия, способного уничтожать пехоту, танки и даже самолёты. На практике такие идеи сразу наталкиваются на серьёзное препятствие – при современном уровне технологий лазер, способный нанести повреждение человеку (с учётом источника питания) окажется слишком тяжёлым для переноски в одиночку, а устройство, обладающее достаточной мощностью для выведения из строя танка, будет крайне громоздким и чувствительным к вибрациям устройством, что сделает невозможным его полевое применение. В первую очередь это объясняется чрезвычайно низким КПД лазера: для получения достаточного (для повреждения цели) количества излучаемой энергии, необходимо затратить в десятки (иногда сотни) раз больше энергии для накачки рабочего тела лазера. В частности, для нанесения повреждения, аналогичного удару пули тридцатого калибра (в энергетическом соотношении) требуется лазерный импульс мощностью около 5 килоджоулей; 1,6 килоджоуль будет эквивалентен 9-мм пуле соответственно. Лучевой импульс продолжительностью в секунду, таким образом, должен иметь мощность 1600 ватт. При этом следует учесть указанный выше фактор низкого КПД лазера, соответственно, источник питания должен выдать мощность минимум в десять раз большую (в лучшем случае). Именно масса источников энергии для накачки, в значительной степени, определит тяжесть подобного оружия. На настоящее время портативных источников энергии с такой плотностью энергии не существует. Следует также отметить, что неизлучённый в лазерном импульсе остаток энергии выделится в виде тепла в конструкции оружия, что потребует весьма эффективной и тяжёлой системы охлаждения для сброса тепла. А потребное время остывания, в свою очередь, чрезвычайно уменьшит скорострельность оружия. Оговоримся, что проблема теплоотвода отчасти решена в лазерах с химической накачкой (в частности, кислородно-йодном и дейтерий-фторном лазерах большой мощности, выдающих мегаватты в секундном импульсе), где отработанные химические компоненты выбрасываются из системы после импульса, унося тепло. В то же время, излучателю требуется большой запас этих, зачастую агрессивных, реагентов и соответствующие ёмкости для хранения.

Остаётся только возможность использования лазера для ослепления противника, потому что для этой цели нужны лазеры совсем небольшой мощности, которые можно сделать портативными. В настоящее время использование таких устройств запрещено международными правилами ведения войн. Тем не менее, лазеры малой мощности, в том числе лазерные указки, ограниченно используются для ослепления снайперов противника и выявления скрытых огневых точек.

4.3. Промышленность

Поверхность исследуемой мишени мгновенно испаряется и вспыхивает при облучении мощным длительным импульсом углекислотного лазера, излучая десятки киловатт инфракрасного излучения. Обратите внимание, что оператор стоит за листами плексигласа, непрозрачного в инфракрасном свете.

4.3.1. Поверхностная лазерная обработка

Сущность процесса лазерной закалки заключается в том, что локальный участок поверхности изделия нагревают с помощью излучения до сверхкритических температур. Нагрев металла осуществляется передачей энергии лазерного излучения вглубь материала, используя его теплопроводность. После прекращения действия излучения этот участок охлаждается за счёт отвода теплоты во внутренние слои металла. Высокая скорость охлаждения приводит к образованию в сплавах закалочных структур, характерных только лазерной обработки.

Лазерный отжиг – в отличие от лазерной закалки, преследует цель получения более равновесной структуры (по сравнению с исходным состоянием), обладающей большей пластичностью и меньшей твердостью. Указанный метод широко используется в микроэлектронике для отжига дефектов в полупроводниках. Лазерным лучом можно отжигать мелкие металлические детали.

Лазерный отпуск – применяется при необходимости локального увеличения пластичности или ударной вязкости, например, в местах соединения различных деталей. Сталь после лазерного отпуска имеет большую прочность, твердость, ударную вязкость, чем после традиционной технологии отпуска.

Лазерная очистка, в том числе лазерная дезактивация – используется для удаления разного рода загрязнений с поверхности предмета. Основные направления лазерной очистки: очистка произведений искусства и памятников; очистка металлов в рамках технологических процессов производства; очистка поверхности от радиоактивного загрязнения (лазерная дезактивация); микроочистка в различных отраслях электрики.

4.3.2. Лазерное оплавление

Лазерное оплавление или лазерная аморфизация используется для улучшения качества поверхности. Аморфизация поверхности сплава в условиях скоростного облучения (очень коротким импульсом или сканирующим лучом). Сверхвысокие скорости теплоотвода, достигаемые при этом, обеспечивают своеобразное «замораживание» расплава, образование металлических стекол (метгласса) или аморфного состояния поверхностного слоя. В результате достигаются высокая твердость, коррозионная стойкость, улучшенные магнитные характеристики и другие специфические свойства материала. Процесс лазерной аморфизации можно осуществить при обработке сплавов специальных составов (в том числе и на основе железа), а также других материалов, предварительно покрытых специальными составами, которые самостоятельно или совместно с матричным материалом склонны к аморфизации.

4.3.3. Получение поверхностных покрытий

Лазерное легирование сталей с последующей термической обработкой значительно повышает микротвердость и стабильность структуры поверхности и может во много раз уменьшить интенсивность износа.

Лазерная наплавка – уникальный метод нанесения износостойких поверхностных слоев безповодок и короблений. Лазерное восстановление может широко использоваться в ремонтном производстве для восстановления прецизионных деталей, там, где требуется повышенная твердость и износостойкость слоя, надежность и долговечность (клапана ДВС, распредвалы, полуоси, штоки, коленчатые валы, крестовины, детали трансмиссий и др.). В отличие от напыления при лазерной наплавке создается монолитный бездефектный слой, который имеет металлургическую связь с основой.

Вакуумно-лазерное напыление заключается в испарении материала участка поверхности под воздействием лазерного излучения в вакууме и конденсировании испарившихся продуктов на подложке, в результате образуется поверхностный слой с химическим составом, отличным от основного металла.

4.3.4. Ударное воздействие

Ударное воздействие лазерного излучения может использоваться для упрочнения поверхности и для инициирования физико-химических процессов, например, для формирования р-n – переходов в полупроводниковых материалах.

Инициирование поверхностных химических реакций на поверхности сплавов с помощью теплового воздействия лазерного излучения или с использованием плазменного облака вблизи поверхности преследует цель окисления или восстановления отдельных компонентов сплава или получения специальных соединений.

4.3.5. Лазерная сварка

Лазерная сварка в настоящее время является наиболее перспективной технологией для промышленного использования в связи с разработкой мощных лазеров с непрерывным и импульсно-периодическим действием. Сварное соединение получается при нагревании и расплавлении лазерным лучом участков в месте контакта свариваемых деталей. Когда лазерный луч смещается, то же самое происходит и с зоной расплавленного материала. Затем при остывании образуется сварной шов. По форме он получается узким и глубоким, принципиально отличается от сварных швов, полученных при использовании традиционной технологии сварки. Глубина проплавления зависит от мощности лазера, а поперечное сечение лазерного шва похоже на лезвие кинжала, поэтому глубокое лазерное проплавление иногда называют кинжальным. Лазерная сварка с глубоким проплавлением позволяет сваривать толстые слои материалов с большой скоростью при минимальном тепловом воздействии на материал, прилегающий к зоне расплава, что улучшает свойства сварного шва и качество сварного соединения.

4.3.6. Лазерное разделение материалов

При этом можно получить узкие резы с минимальной зоной термического влияния. Лазерная резка отличается отсутствием механического воздействия на обрабатываемый материал, возникают минимальные деформации, как временные в процессе резки, так и остаточные после полного остывания.

Газолазерная резка-принцип работы газолазерной резки: в зону реза подают луч лазера и технологический газ в виде кольцевой или отдельных сверхзвуковых расчетных струй, векторы, скорости которых в их критическом сечении направлены под углом к оси лазерного луча, близким к половине апертурного. Струи технологического газа подают в ограниченный объем, в котором они разворачиваются в волнах сжатия и разрежения до направления векторов скорости параллельно оси лазерного луча, после чего слившуюся сверхзвуковую струю направляют соответственно лазерному лучу в зону реза, при этом число Маха М на участке струи в ограниченном объеме поддерживают в пределах Mi ≥ M > 1, где Мі — расчетное число Маха для требуемого технологическим процессом отношения давлений технологического газа. Характерно, что газолазерная резка эффективна не только для раскроя хрупких, мягких и нетеплостойких материалов (стекло, резина, ткани), исключая механическое воздействие па них; она обеспечивает обработку и самых твердых и тугоплавких материалов, поддающихся только алмазному инструменту.