Требования к ЛТУ со стороны лазерных технологических процессов

Требования к промышленным и технологическим лазерам и ЛТУ

Лазерная технологическая установка должна удовлетворять определенным требованиям. Целью этих требований является обеспечение максимальных технико-экономических показателей промышленной эксплуатации, а так же реализация технических преимуществ лазерной техники и технологии.

Лазерная технологическая установка, как правило, работает в составе другого промышленного оборудования, производящего изделия или материалы. Поэтому лазерная технологическая установка должна удовлетворять, с одной стороны, общим требованиям, предъявляемым к любому промышленному оборудованию, с другой стороны, специфическим требованиям, предъявляемым со стороны лазерного технологического процесса.

Из числа общепринятых требований следует отметить такое, как обеспечение экономической целесообразности. Т.е. применение лазерных технологических процессов должно давать экономический эффект. Однако в некоторых случаях можно пренебречь этими требованиями, если применение лазерной техники обеспечивает большой социальный, экологический или технологический эффект.

Высокие технико-экономические показатели ЛТУ обеспечиваются следующими путями:

- применение модульной конструкции ЛТУ

- максимальное использование серийно выпускаемых комплектующих узлов и изделий

- унификация и стандартизация ЛТУ и его составных частей

- использование недорогих и недефицитных материалов в конструкции ЛТУ

- высокий уровень конструкторской проработки ЛТУ с целью обеспечения минимального числа блоков, максимальной технологичности при изготовлении и оптимального сопряжения с другим оборудованием.

1. ЛТУ должна иметь такие параметры излучения, которые обеспечивают физическую возможность того или иного лазерного технологического процесса, его высокое качество и производительность. При этом требования предъявляются к следующим параметрам излучения: интенсивность излучения на поверхности q Вт/ , длительность воздействия излучения bc, диапазон средней мощности излучения кВт, угловая расходимость, апертура пучка мм, длина транспортировки излучения в м, допустимая нестабильность мощности. Численные значения этих параметров для некоторых технологических лазерных операций приведены в табл.1.1. в кн. B.C.Голубев, Ф.В.Лебедев. Инженерные основы создания тех­нологических лазеров. М. "Высшая школа", 1988. Анализируя эти сведения можно сделать вывод, что диапазон мощностей ЛТУ 0,5÷5 кВт обеспечивает в основном потребности промышленного применения ЛТУ. Однако, на ведущих предприятиях существует точка зрения, что уже в ближайшее время потребуются ЛТУ значительной мощности до 25 кВт и более.

2. ЛТУ должна обеспечивать высокие технико-экономические показатели лазерного технологического процесса. Для этого ЛТУ должна иметь полный ресурс работы не менее ч (при среднем проценте использования лазерного излучения не менее 90%), должна быть экономичной в использовании электрической энергии, рабочих газов, жидкостей, эксплуатационных материалов, деталей, оснастки, ЛТУ должна быть полностью автоматизированной. И в конечном итоге должна быть более производительной, чем традиционные технологические установки.

3. Группа требований, предъявляемые к помещению, к инженерным и энер­гетическим системам предприятия, где применяется ЛТУ. Должны быть обеспечены надлежащие мощность и стабильность параметров электроэнергии питающей электросети, должны быть в пределах нормального уровня вибрации, шума, электромагнитных наводок, температуры, влажности и запыленности воздуха.

4. при использовании ЛТУ должны быть обеспечены требования са­нитарно-гигиенической и экологической безопасности при экс­плуатации ЛТУ. Эти требования изложены в документе "Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров".

Рассмотрим кратко основные положения этого документа.

Правила отмечают следующие опасные для человека факторы при работе на ЛТУ:

- лазерное излучение (прямое, отраженное, рассеянное)

- высокое напряжение источника питания

- световое излучение от импульсных ламп накачки и зоны взаимодействия лазерного излучения с объектом обработки

- шум и вибрация

- ионизирующее излучение

- электромагнитные поля ВЧ и СВЧ диапазона генераторов накачки

- инфракрасное излучение и тепловыделение от оборудования

- запыленность и загазованность продуктами взаимодействия лазерного излучения с обрабатываемыми материалами

- агрессивные и токсичные вещества в конструкции лазера.

Все эти факторы, за исключением первого, рассматриваются в соответствующих нормативных документах, которые распространяются на ЛТУ (например, ВН- ПТЭ и ПТБ электроустановок потребителей).

Поэтому более подробно остановимся на вопросах опасности лазерного излучения.

Правила устанавливают предельно допустимые уровни лазерного излучения ПДУ в виде допустимой энергетической экспозиции в Дж/ облучаемых тканей: роговицы, сетчатки газа и кожи. Эти уровни в диапазоне λ=0,2÷20мкм определяется с помощью таблиц или эмпирических формул, приведенных в правилах.

Все лазеры по степени опасности их излучения разделяют на 4 класса:

1 класс - прямое излучение не опасно для глаз и кожи

2 класс - излучение опасно при прямом и зеркально-отраженном попадании на глаза

3 класс - излучение опасно для глаз при прямом и зеркальном, а также диффузно (на расстоянии 10 см) отраженном попа­дании. излучение опасно для кожи при прямом и зерка­льно отраженном попадании;

4 класс - выходное излучение опасно для кожи при диффузно отраженном попадании на расстоянии 10см от отражающей поверхности.

Для лазеров 2 и 4 классов определение уровней облучения должно проводиться периодически, не реже одного раза в год.

В зависимости от класса лазера правилами предусмотрены соответствующие меры безопасности при работе на ЛТУ.

К ним относятся применение защитных контуров, экранов, барьеров, блокировок и др. в конструкции лазерных ТУ. Применение индивидуальных средств защиты. Выполнение организационных мер безопасности.

2.2.2 Схемы и конструкции ЛТУ на базе твердотельных лазеров.

В ЛТУ такого типа применяются, в основном, твёрдотельные лазеры на основе АИГ: Nd или на стекле: Nd (иногда Рубин).

В настоящее время в нашей стране серийно выпускаются ЛТУ импульсного действия типа «Квант», а также ЛТ типа ЛТН (непрерывного действия) и ЛТ импульсного действия типа ЛТИ.

Эти установки применяются в электронной промышленности, приборостроении, в некоторых отраслях машиностроения, а также медицине и биологии. Они позволяют выполнять следующие операции: пробивка отверстий, резка, сварка, термоупрочнение, обработка тонких пленок.

Рассмотрим основные конструктивные особенности таких ЛТУ.

Излучатель

Активный элемент выполнен в виде стержня круглого сечения (из АИТ или стекла с присадкой ионов Nd). Длина до 260 мм., диаметр до 15мм. Такой материал обеспечивает генерацию излучения с длиной

КПД до 2% - в ЛТУ импульсного действия

до 3% - в ЛТУ непрерывного действия

Недостатком такого материала является его низкая теплопроводность, что ограничивает повышение частоты следования импульсов и среднюю мощность излучения.

Лампы накачки – для непрерывных и импульсных лазерных установок применяют дуговые криптоновые лампы. Раньше они маркировались ИФП – 5000 (Квант-10), ИФП – 300 (Квант-11). Новая маркировка для импульсных ламп ИМП16/260А (Гор-100М), для лампы непрерывного действия ДНП-6/90 (ЛТН).

Оптические резонаторы выполняются из вогнутых и плоских зеркал с многослойным покрытием.

Осветительная оптическая система излучателя – наиболее распространена осветительная система с применением линейных ламп накачки и цилиндрических отражателей кругового или эллиптического сечения.

Режимы работы излучателя. В установка типа «Квант» излучатель работает в режиме свободной генерации при импульсной накачке. В лазерах типа ЛТИ применяется режим модулированной добротности с помощью акустического оптического затвора при непрерывной накачке. В лазерах типа ЛТН действует непрерывная накачка.

ника поглощается активной средой и атомы среды переходят на верхний энергетический уровень.

В импульсных твердотельных лазерах в качестве такого источника применяют ксеноновые или криптоновые импульсные лампы высокого давления (450-1500 мм. рт. ст.). При пробое газового промежутка импульсной лампы выделяется электрическая энергия, запасенная в накопителе в виде светового излучения. Это излучение фокусируется и попадает на активную среду и обеспечивает накачку (см. рис..). Применяются следующие оптические системы лазерных излучателей. (рис.)

Рис.

а) Лампа имеет спиральную форму. Свет от лампы попадает на активную среду непосредственно и после отражения от поверхности зеркального цилиндра. Такая конструкция осветительной системы имеет преимущество по сравнению с конструкцией (б) в том обеспечивает более равномерную накачку активной среды. Но имеет более низкий КПД.

б) Лампа имеет форму цилиндра. Лампа помещается вдоль одной из фокальных осей F1 эллиптического цилиндра. Стержень активной среды помещается вдоль другой оси F2. Лучи, выходящие из оси F1 (т. е. лампы) в любом направлении, отражаясь от поверхности цилиндра, проходят через ось F2, т. е. активную среду. Разновидностью этой конструкции – излучатель с двойным эллиптическим цилиндрическим отражателем, как показано на рис. Обеспечивает более однородную накачку. Другой (б’) вариант – лампа и стержень помещаются на возможно минимальном расстоянии друг от друга и окружаются зеркальным цилиндром с минимально возможным диаметром. Такие конструкции наиболее просты и имеют наибольший КПД. Но обеспечивают менее однородную накачку из-за несимметричного освещения стержня. Это приводит к неравномерной структуре луча лазера.

в) Применяется коаксиальная полостная лампа. Она обеспечивает симметричное освещение активной среды и максимальную однородность накачки. Но КПД такой системы в 2-3 раза меньше, чем предыдущих систем.

г) Перспективными для технологических установок считают излучатели, у которых активный элемент и лампа устанавливаются на одной оси, а отражатель представляет собой эллипсоид вращения или состоит из конических поверхностей. Такой излучатель имеет высокий КПД, симметричное поле световой накачки, т. е. достигается однородность накачки.

Коэффициенты отражения зеркал обычно составляют (стремятся сделать максимальным), (выходное зеркало). Иногда . Зеркала выполняются плоскими и сферическими.

КПД накачки складывается из нескольких составляющих

(2.29)

- эффективность передачи, это отношение мощности (энергии), которая действительно поступила в активную среду, к мощности(энергии), излучаемой лампой накачки. Численное значение в сильной мере зависит от конструкции излучателя. Для случая а) и в) можно оценить ,

где - радиус активного стержня, - радиус лампы.

При таких конструкциях излучателей

Для излучателей типа б) и г) теоретически , на практике

- излучательная эффективность лампы определяет какая часть электрической энергии, подведенной к лампе, преобразуется в энергию оптического излучения в диапазоне эффективного поглощения активной лазерной средой (например, для граната

Рис. мкм):

(2.30)

Значения можно найти в справочной литературе.

и - радиус и длина лампы, - ее площадь поверхности. - спектральная интенсивность лампы, т. е. зависимость излучаемой мощности с единицы поверхности лампы от длины волны излучения.

- называется квантовый выход накачки. Он учитывает, что на верхний лазерный уровень попадают не все возбуждаемые атомы. Часть из них переходит непосредственно в основное состояние или попадают на другие энергетические уровни и не участвуют в генерации лазерного излучения. Эту величину очень трудно рассчитывать и измерять, т.к. она зависит от многих свойств активной среды и излучателя. Для случаев а и в , для б и г

- эффективность поглощения – показывает, какая часть (энергии) излучения, поступившего в активную среду, поглотилась атомами и перевела их в возбужденное состояние. Эту величину так же трудно рассчитать.

- квантовый КПД – отношение энергии излучаемого кванта к энергии поглощаемого при создании инверсии. - зависит от конкретной схемы уровней активной среды.

- коэффициент использования активной среды.

- эффективный объем активной среды – объем активной среды занятый нацетикой.

- полный объем активной среды.

Дата добавления: 2014-11-29