Отличительные особенности лазерного излучения. Структура лазерных пучков

Лазерное излучение обладает уникальными характеристиками. Высокая интенсивность и монохроматичность лазерных пучков, возможность достижения высоких значений мощности и плотности потока энергии в некоторых случаях делают его незаменимым при проведении технологических процессов.

Теоретически лазерный луч можно сфокусировать в пятно размером порядка длины волны, однако искажения, вносимые оптическими элементами, несколько увеличивают его радиус г₀. Несмотря на это он имеет максимальный коэффициент сосредоточенности энергии А: и по сравнению с такими традиционными методами обработки, как газопламенная, дуговая, плазменная, электронно-лучевая и другие, при лазерной обработке возможно достижение наибольшей плотности мощности.

Значения к и г₀ в зависимости от метода обработки приведены ниже:

Использование лазеров с высокой плотностью мощности излучения позволяет существенно сократить время нагрева, обеспечивая скорость обработки, сравнимую со скоростью протекания физических процессов в объекте облучения.

Лазерное излучение может быть не только непрерывным во времени, но и в виде одиночных или серии импульсов заданной формы с определенной длительностью, частотой следования и пиковой мощностью. Это дает возможность целенаправленно, путем выбора режимов регулировать скорость нагрева, время пребывания материала при высоких температурах и скорость охлаждения. Указанное необходимо для получения требуемых структурно-чувствительных свойств в обрабатываемой детали, а также для получения максимальной эффективности процесса обработки.

Кроме того, лазерное излучение, как электромагнитная волна оптического диапазона, обладает таким важным качеством, как безынерционность. Время включения и выключения действия луча, а также смена направления его движения относительно детали определяются лишь быстродействием используемого устройства (оптического затвора, механизма перемещения зеркала или координатного стола).

К тому же существует возможность с помощью светоделительной оптики и зеркал разделять лазерный луч в необходимых пропорциях и направлять его по оптическим трактам на те или иные технологические позиции.

Использование устройств, управляющих параметрами лазерной установки на основе адаптивной оптики, автоматизированного газообмена и регенерации рабочей смеси в газовых лазерах, синхронизации векторов перемещения изделия и поляризации излучения и т. д., позволяет изменять характеристики излучения по заданной программе. Таким образом, применение лазерного излучения дает возможность достичь высокой степени автоматизации процесса обработки.

Структура лазерных пучков. Важной характеристикой структуры лазерного пучка является модовый состав излучения. Пространственный профиль лазерного луча определяется геометрией лазерного резонатора. Конфигурация электромагнитной волны зависит от формы резонатора в сечении, поперечном к оптической оси. В оптическом резонаторе может существовать набор возможных типов колебаний. Выделенный вид электромагнитных колебаний, соответствующий определенному устойчивому распределению поля волны в резонаторе, называется модой. Модовый состав излучения в резонаторе является важной характеристикой лазера, поскольку он определяет спектр и пространственные параметры генерируемого пучка.

Различные колебания в резонаторе характеризуются набором модовых чисел q, т и п, которые принято указывать рядом с буквенным обозначением типа электромагнитных волн (например, ). Символ ТЕМ — это сокращение английских слов transverse elecktro magnetic. Стоячая электромагнитная волна в резонаторе имеет как продольную (вдоль оптической оси), так и поперечную структуру распределения электрического поля. Продольное распределение поля описывается модовым числом q. В реальных условиях q достаточно велико. При описании модового состава его обычно не указывают ( ).

Поперечная структура поля характеризуется наличием узлов электрического поля по радиусу и углу и описывается числами т и п. В случае цилиндрического резонатора т означает число узлов поля, расположенных на радиусе резонатора, а п — число узлов, находящихся на половине его периметра. Качественный вид распределения амплитуды электромагнитного поля на выходном окне устойчивого полуконфокального резонатора для поперечных мод низшего порядка показан на рис. 1.20. Там же приведены качественно соответствующие этим модам распределения интенсивности излучения в лазерном пучке.

С увеличением поперечных модовых чисел число областей, в которых сосредоточено поле, возрастает, а их характерный размер уменьшается. Так как этот размер определяет дифракционную расходимость лазерного излучения, моды высшего порядка фокусируются хуже. Кроме того, можно показать, что с увеличением модового числа дифракционные потери излучения возрастают.