Мини энциклопедия: Лазерлік дәнекерлеу принципі және процесін қолдану
Энергия деңгейлері
Зат атомдардан, ал атомдар ядродан және электрондардан тұрады. Электрондар ядроны айнала қозғалады. Атомдағы электрондардың энергиясы кездейсоқ емес.
Микроскопиялық әлемді сипаттайтын кванттық механика бізге электрондардың бекітілген энергия деңгейлерін алатынын айтады. Әртүрлі энергия деңгейлері әртүрлі электрон энергияларына сәйкес келеді: ядродан алыс орбиталардың энергиясы жоғарырақ.
Сонымен қатар, әрбір орбита электрондардың ең көп санын сыйдыра алады. Мысалы, ең төменгі орбита (ядроға ең жақын) 2 электронға дейін, ал жоғары орбиталарда 8 электронға дейін және т.б. сыйдыра алады.
Өтпелі кезең
Электрондар энергияны сіңіру немесе босату арқылы бір энергия деңгейінен екіншісіне ауыса алады.
Мысалы, электрон фотонды жұтқан кезде, ол төменгі энергия деңгейінен жоғарырақ деңгейге секіруі мүмкін. Сол сияқты, жоғары энергия деңгейіндегі электрон фотон шығару арқылы төменгі деңгейге түсуі мүмкін.
Бұл процестерде жұтылған немесе шығарылған фотонның энергиясы әрқашан екі деңгей арасындағы энергия айырмашылығына тең болады. Фотон энергиясы жарықтың толқын ұзындығын анықтайтындықтан, жұтылған немесе шығарылған жарықтың түсі тұрақты болады.
Лазерлік генерация принципі
Ынталандырылған сіңіру
Төмен энергиялы күйдегі атомдар сыртқы сәулеленуді сіңіріп, жоғары энергиялы күйге өткенде ынталандырылған жұтылу пайда болады. Электрондар фотондарды жұту арқылы төмен энергия деңгейлерінен жоғары энергия деңгейлеріне секіре алады.
Ынталандырылған шығарындылар
Ынталандырылған сәулелену дегеніміз - фотонның «ынталандыруы» немесе «индукциясы» кезінде жоғары энергия деңгейіндегі электрондардың төмен энергия деңгейіне ауысып, түскен фотонмен бірдей жиіліктегі фотон шығаратынын білдіреді.
Ынталандырылған сәулеленудің негізгі ерекшелігі - генерацияланған фотон бастапқы фотонмен бірдей: бірдей жиілік, бірдей бағыт және мүлдем ажыратылмайды. Осылайша, бір фотон бір ынталандырылған сәулелену процесі арқылы екі бірдей фотонға айналады. Бұл жарықтың күшейетінін немесе күшейтілетінін білдіреді - лазерлік генерацияның негізгі принципі.
Өздігінен шығарылатын сәулелену
Өздігінен сәулелену жоғары энергия деңгейіндегі электрондар сыртқы әсерсіз төменгі деңгейге түсіп, ауысу кезінде жарық (электромагниттік сәулелену) шығарған кезде пайда болады. Фотон энергиясы E=E2−E1, екі деңгей арасындағы энергия айырмашылығы.
Лазерлік генерация шарттары
Лазерлік күшейту ортасы
Лазерлік генерация үшін газ, сұйық, қатты немесе жартылай өткізгіш болуы мүмкін қолайлы күшейту ортасы қажет. Ең бастысы - лазерлік шығыс үшін қажетті шарт болып табылатын ортада популяциялық инверсияға қол жеткізу. Метастабильді энергия деңгейлері популяциялық инверсия үшін өте пайдалы.
Сорғы көзі
Популяция инверсиясына қол жеткізу үшін атом жүйесі жоғарғы энергия деңгейіндегі бөлшектер санын көбейту үшін қозуы керек.
Жалпы әдістерге мыналар жатады:
- Электрлік айдау: жоғары кинетикалық энергиялы электрондарды пайдаланатын газ разряды
- Оптикалық сорғы: импульсті жарық көздерімен сәулелендіру
- Термиялық сорғы, химиялық сорғы және т.б.
Бұл әдістер жалпы түрде сорғылау деп аталады. Тұрақты лазерлік шығыс үшін төменгі деңгейге қарағанда жоғарғы деңгейде көбірек бөлшектерді ұстап тұру үшін үздіксіз сорғылау қажет.
Резонатор
Қолайлы күшейту ортасы мен айдау көзі арқылы популяция инверсиясына қол жеткізуге болады, бірақ ынталандырылған сәулелену қарқындылығы практикалық қолдану үшін тым әлсіз. Оптикалық резонатормен қамтамасыз етілетін қосымша күшейту қажет.
Оптикалық резонатор лазердің екі ұшына параллель орналасқан екі жоғары шағылыстыратын айнадан тұрады:
- Бір толық шағылысу айнасы
- Бір жартылай шағылысу және жартылай беріліс айнасы
Толық шағылысу айнасы түскен барлық жарықты бастапқы жолымен кері шағылыстырады. Жартылай шағылысу айнасы белгілі бір энергия шегінен төмен фотондарды ортаға кері шағылыстырады, ал шегінен жоғары фотондар күшейтілген лазерлік сәуле ретінде таралады.
Жарық резонаторда алға және артқа тербеліп, ынталандырылған сәулеленудің тізбекті реакциясын тудырады, көшкін сияқты күшейіп, жоғары қарқынды лазерлік шығыс шығарады.
Сорғы шамы дегеніміз не?
Ксенон шамы - әдетте түзу түтік пішінді инертті газ разрядты шамы. Ол әдетте электродтардан, кварц түтігінен және толтырылған ксенон (Xe) газынан тұрады.
Электродтар жоғары балқу температурасы, жоғары электрон эмиссиясының тиімділігі және төмен шашырауы бар металдан жасалған. Шам түтігі ксенон газымен толтырылған жоғары беріктікке ие, жоғары температураға төзімді, жоғары өткізгіштікке ие кварц шынысынан жасалған.
Nd:YAG лазерлік таяқшасы дегеніміз не?
Nd:YAG (неодиммен легирленген иттрий алюминий гранаты) - ең көп қолданылатын қатты лазерлік материал.
YAG - жоғары қаттылыққа, тамаша оптикалық сапа мен жоғары жылу өткізгіштікке ие кубтық кристалл. Үш валентті неодим иондары кристалдық тордағы кейбір үш валентті иттрий иондарын алмастырады, сондықтан неодиммен легирленген иттрий алюминий гранаты деп аталады.
Лазердің сипаттамалары
Жақсы үйлесімділік
Кәдімгі көздерден шығатын жарық бағыты, фазасы және уақыты бойынша хаотикалық болып келеді және тіпті линзамен де бір нүктеге фокусталмайды.
Лазерлік жарық өте когерентті: оның таза жиілігі бар, мінсіз фазада бір бағытта таралады және жоғары концентрацияланған энергиясы бар кішкентай нүктеге фокусталуы мүмкін.
Керемет бағыттылық
Лазер кез келген басқа жарық көзіне қарағанда әлдеқайда жақсы бағытқа ие, параллель сәуле сияқты әрекет етеді. Айға бағытталғанның өзінде (шамамен 384 000 км қашықтықта) нүктенің диаметрі небәрі 2 км.
Жақсы монохроматтылық
Стимулданған сәулеленуден пайда болатын лазерлік жарық өте тар жиілік диапазонына ие. Қарапайым тілмен айтқанда, лазердің монохроматикалық қасиеті өте жоғары — оның «түсі» өте таза. Монохроматикалық қасиет лазерлік өңдеу қолданбалары үшін өте маңызды.
Жоғары жарықтық
Лазерлік дәнекерлеу лазер сәулелерінің тамаша бағыттылығы мен жоғары қуат тығыздығын пайдаланады. Лазер оптикалық жүйе арқылы кішкентай аймаққа фокусталады, өте қысқа мерзімде жоғары концентрацияланған жылу көзін түзеді, материалды балқытады және тұрақты дәнекерлеу дақтары мен жіктерін қалыптастырады.
Лазерлік дәнекерлеудің артықшылықтары
Басқа дәнекерлеу әдістерімен салыстырғанда, лазерлік дәнекерлеу келесі мүмкіндіктерді ұсынады:
- Жоғары энергия концентрациясы, жоғары дәнекерлеу тиімділігі, жоғары дәлдік және дәнекерлеулердің тереңдігі мен енінің үлкен қатынасы.
- Жылу шығыны аз, жылу әсер ететін аймақ аз, қалдық кернеу мен деформация минималды.
- Байланыссыз дәнекерлеу, икемді талшықты-оптикалық беріліс, жақсы қолжетімділік және жоғары автоматизация.
- Шикізатты үнемдейтін икемді буын дизайны.
- Дәл басқарылатын энергия, тұрақты дәнекерлеу нәтижелері және тамаша дәнекерлеу көрінісі.
Металл материалдарын лазерлік дәнекерлеу процестері
Тот баспайтын болат
- Жақсы нәтижелерге кәдімгі шаршы толқынды импульстармен қол жеткізуге болады.
- Дәнекерлеу дақтарын металл емес материалдардан алыс ұстау үшін қосылыстарды жобалаңыз.
- Беріктік пен сыртқы түрі үшін жеткілікті дәнекерлеу алаңын және дайындаманың қалыңдығын сақтаңыз.
- Дәнекерлеу кезінде дайындаманың тазалығын және құрғақ ортаны қамтамасыз етіңіз.
Алюминий қорытпалары
- Жоғары шағылыстыру лазердің жоғары шың қуатын қажет етеді.
- Импульстік нүктелік дәнекерлеу кезінде жарылуға бейім, беріктікті төмендетеді.
- Материалдың құрамы шашырауды тудыруы мүмкін; жоғары сапалы шикізатты пайдаланыңыз.
- Дақтардың үлкен өлшемі және ұзын импульс ені арқылы жақсы нәтижелерге қол жеткізуге болады.
Мыс және мыс қорытпалары
- Алюминийге қарағанда жоғары шағылыстыру; одан да жоғары лазерлік шың қуатын қажет етеді.
- Лазер басын белгілі бір бұрышпен еңкейту керек.
- Мыс қорытпаларын (жез, мельхиор және т.б.) легирлеу элементтеріне байланысты дәнекерлеу қиынырақ; параметрлерді мұқият таңдау қажет.
Лазерлік дәнекерлеу мен ерітінділердегі жиі кездесетін ақаулар
Дұрыс емес параметрлер немесе дұрыс жұмыс істемеу көбінесе дәнекерлеу ақауларын тудырады, соның ішінде:
- Беткі шашырау
- Ішкі дәнекерлеу кеуектілігі
- Дәнекерлеу жарықтары
- Дәнекерлеу деформациясы
Дәнекерлеу шашырауы
Шашыраңқылық негізінен лазер қуатының тығыздығының шамадан тыс жоғары болуынан туындайды: дайындама қысқа уақыт ішінде тым көп энергия сіңіреді, бұл материалдың қатты булануына және балқытылған бассейннің қатты реакциясына әкеледі.
Шашыраңқы шашырау сыртқы түріне, құрастыру дәлдігіне және дәнекерлеу беріктігіне зиян келтіреді.
Себептері
- Лазердің тым жоғары шың қуаты.
- Дәнекерлеу толқынының дұрыс емес формасы, әсіресе жоғары шағылысу қабілеті бар материалдар үшін.
- Материалдың бөлінуі жергілікті жоғары энергия сіңірілуіне әкеледі.
- Дайындама бетіндегі ластану немесе металл емес қоспалар.
- Дайындамалар арасында немесе астында балқу температурасы төмен, дәнекерлеу кезінде газ түзетін заттар.
- Газдың кеңеюіне және шашырауына әкелетін жабық қуыс құрылымдар.
Шешімдер
- Параметрлерді оңтайландырыңыз: шың қуатын азайтыңыз немесе күрт толқын формаларын пайдаланыңыз.
- Білікті, жоғары сапалы шикізатты пайдаланыңыз.
- Май мен қоспаларды кетіру үшін дәнекерлеу алдындағы тазалауды күшейтіңіз.
- Дәнекерлеу құрылымының дизайнын оңтайландыру.
Ішкі кеуектілік
Кеуектілік - лазерлік дәнекерлеудегі ең көп таралған ақау. Жылдам термиялық цикл және балқытылған бассейннің қысқа қызмет ету мерзімі газдың шығуына жол бермейді, бұл кеуектерді қалыптастырады.
Жалпы түрлері: сутегі тесіктері, көміртегі тотығы тесіктері және кілт тесіктерінің құлау тесіктері.
Дәнекерлеу жарықтары
Жарықтар дәнекерлеудің беріктігін және қызмет ету мерзімін айтарлықтай төмендетеді. Лазерлік дәнекерлеудің жылдам қыздырылуы және салқындауы жарықшақтану қаупін арттырады.
Лазерлік дәнекерлеу жарықтарының көпшілігі ыстық жарықтар болып табылады, олар алюминий қорытпаларында және жоғары көміртекті/жоғары қоспалы болаттарда жиі кездеседі.
Алдын алу
- Сынғыш материалдар үшін жарықшақтануды азайту үшін алдын ала қыздыру және баяу салқындату толқын пішіндерін қосыңыз.
- Дәнекерлеу кернеуін азайту үшін қосылыс конструкциясын оңтайландырыңыз.
- Балама өнімділік кезінде жарылу үрдісі төмен материалдарды таңдаңыз.
Дәнекерлеу деформациясы
Деформация көбінесе жұқа парақтарда, үлкен аумақты дайындамаларда немесе көп нүктелі дәнекерлеуде пайда болады, бұл құрастыру мен өнімділікке әсер етеді. Бұл жылудың біркелкі емес енуінен және жылу кеңеюінің/сығылуының тұрақсыздығынан туындайды.
Шешімдер
- Жылу кірісін азайту үшін параметрлерді оңтайландырыңыз: импульс енін азайта отырып, шың қуатын арттырыңыз.
- Бірлік уақыт ішіндегі қызуды азайту үшін пісіру жылдамдығын және импульс жиілігін төмендетіңіз.
- Біркелкі қыздыруды қамтамасыз ету үшін дәнекерлеу реттілігін оңтайландырыңыз.
Жарияланған уақыты: 2026 жылғы 25 ақпан
