Металлургические машины и оборудование : расчет основных параметров лазерного технологического оборудования

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 459 

Кафедра инжиниринга технологического оборудования

В.М. Жариков 
 
 

Металлургические машины
и оборудование 

Расчет основных параметров лазерного 
технологического оборудования 

Учебное пособие 

Допущено учебно-методическим объединением по образованию в области  
металлургии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных  
заведений, обучающихся по специальности 150404 – Металлургические  
машины и оборудование направления 150400 – Технологические машины 
и оборудование 

Москва  2011 

УДК 621.7 
 
Ж34 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. Б.А. Романцев 

Жариков, В.М. 
Ж34  
Металлургические машины и оборудование : расчет основных параметров лазерного технологического оборудования : учеб. пособие / В.М. Жариков. – М. : Изд. Дом МИСиС, 
2011. – 106 с. 
ISBN 978-5-87623-459-9 

В пособии рассмотрены основы лазерной техники и технологии. Подробно изложены критерии и последовательность выбора оптимального лазерного источника для заданной технологической операции. Рассмотрены основные принципы конструирования лазерного технологического оборудования. 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 150400 
«Технологические машины и оборудование». 
УДК 621.7 

ISBN 978-5-87623-459-9 
© В.М. Жариков, 2011 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................4 
1. Физические основы лазерной техники ...............................................8 
1.1. Основные квантовые представления.............................................8 
1.2. Индуцированное излучение..........................................................10 
1.3. Способы накачки (создания инверсной заселенности) .............14 
1.4. Классификация лазеров.................................................................16 
1.5. Типовой состав лазера...................................................................18 
1.6. Типы резонаторов..........................................................................18 
1.7. Зеркала ............................................................................................20 
1.8. Лазер как уникальное явление .....................................................21 
1.9. Связь фокусировки с параметрами лазерного излучения.........22 
2. Оптика..................................................................................................23 
2.1. Явление полного внутреннего отражения. Световоды .............23 
2.2. Генерация гармоник ......................................................................23 
2.3. Ширина линии лазерного излучения...........................................24 
2.4. Отражение электромагнитного излучения  от диэлектриков ...24 
2.5. Формулы Френеля .........................................................................27 
2.6. Угол Брюстера................................................................................29 
3. Элементы лазерной технологии........................................................30 
3.1. Распространение тепла  при лазерном воздействии..................30 
3.2. Уравнение теплопроводности ......................................................31 
3.3. Упрощенная модель воздействия  лазерного излучения  
на мишень..............................................................................................33 
3.4. Поверхностная обработка.............................................................34 
3.5. Лазерная сварка металлов.............................................................52 
3.6. Лазерная пробивка отверстий ......................................................53 
3.7. Лазерная разделительная резка материалов ...............................61 
3.8. Определение технических требований  
к процессу и инструменту при лазерной обработке .........................62 
3.9. Поглощающие покрытия ..............................................................65 
4. Лазерное технологическое оборудование........................................68 
4.1. Состав лазерного оборудования...................................................68 
4.2. Координатные столы.....................................................................70 
4.3. Оптические системы лазерных технологических установок....74 
4.4. Приемники оптического излучения.............................................82 
4.5. Выбор оптимального устройства охлаждения лазера ...............84 
4.6. Обзор отечественных ЛТУ и ЛТК ...............................................85 
Библиографический список...................................................................98 
Приложение.............................................................................................99 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Вторая половина ХХ в. принесла миру ряд новых направлений в 
науке и технике: кибернетику, ракетостроение, лазеры. Перспективы 
каждого из этих направлений выглядели одинаково высокими. Надежды, связанные с каждым направлением, были завышенными и 
оптимистичными. 
По прошествии полувека можно констатировать, что для первых 
двух направлений эти надежды частично оправдались: 
• компьютерная техника прочно вошла в обиход широких слоев 
населения; 
• произошло успешное освоение ближнего космоса, идет обсуждение возможности международной экспедиции на Марс, Китай планирует осуществить проект по строительству обитаемой станции на 
Луне к 2050 г. 
На этом фоне успехи квантовой электроники более скромные. 
Можно прогнозировать, что ближайшие годы станут временем развития лазерной техники и технологии. К уже освоенным лазерным 
технологическим операциям можно отнести: лазерное разделение 
изотопов; получение сверхчистых веществ; сварку; скрайбирование 
полупроводников; удаление пленочных покрытий; резку листовых 
материалов; наплавку; упрочнение металлов и др. 
Учитывая, что данный курс является непрофильным в НИТУ 
МИСиС, представляется целесообразным освежить в памяти или же 
изложить вновь некоторые сведения из курса общей физики: физики 
атома, квантовой механики, оптики, электричества, термодинамики и 
т.д., необходимые для успешного усвоения и понимания основ лазерной технологии обработки материалов. 
Необходимые для расчета параметров лазерного технологического оборудования справочные данные приведены в приложении. 

Условные обозначения 

Р – мощность лазерного излучения средняя, Вт; 
Римп – мощность лазерного излучения импульсная (пиковая, мгновенная), Вт; 
ν21 – частота атомного перехода (лазерного излучения) с уровня 2 
на уровень 1, Гц; 
W12 – вероятность атомного перехода с уровня 1 на уровень 2; 

n1 – населенность уровня 1, число атомов в единице объема, обладающих энергией, соответствующей энергии уровня 1; 
h – постоянная Планка, 6,626176 · 10–34 Дж · с; 
k – постоянная Больцмана, 1,380662 · 10–23 Дж · К–1; 
Rλ – спектральный коэффициент отражения; 
с – коэффициент теплоемкости материала, Дж/(кг · К); 
λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м · К; 
ρ – плотность материала, кг/м3; 
а – коэффициент температуропроводности, м2/с; 
f – частота следования импульсов излучения лазера, Гц; 
F – фокусное расстояние оптического элемента (линзы, объектива, или зеркала), м; 
θ – угол расходимости лазерного излучения, мрад; 
dлп – диаметр лазерного пятна, мкм; 
q – плотность мощности в зоне обработки, Вт/м2; допускается 
Вт/см2; 
Тпл и Тисп – температура соответственно плавления и испарения 
материала 

Основные термины 

Лазер (оптический квантовый генератор) – источник когерентного 
монохроматического электромагнитного излучения оптического 
диапазона, действие которого построено на использовании вынужденного излучения атомов и молекул. LASER – аббревиатура слов 
английского выражения Light Amplification by Stimulated Emission of 
Radiation (усиление света вынужденным излучением). 
Лазерная техника – совокупность технических средств для генерации, преобразования, передачи, приема и использования лазерного 
излучения (включает в себя собственно, лазеры, их элементы – излучатели, активные элементы, оптические резонаторы, лазерные затворы, источники накачки, блоки питания и управления, системы охлаждения и др.); устройства управления лазерным пучком (модуляторы 
света, дефлекторы, преобразователи частоты и др.). 
Лазерная технология – совокупность способов обработки, изменения состояния, свойств и формы материала или полуфабриката, 
осуществляемых посредством лазерного излучения. 
Резонатор – устройство, состоящее из системы зеркал, служащее 
для: 
– формирования воспроизводимой структуры лазерного луча; 

– многократного возврата излучения в активную среду с целью 
увеличения длины взаимодействия излучения с активной средой; 
– формирования диаграммы направленности (ДН) излучения и 
обеспечения стабильности положения оси диаграммы направленности; 
– отвечает за расходимость лазерного излучения. 
Расходимость лазерного излучения (РЛИ) – принципиальный параметр лазерного излучения, характеризующий предельные возможности его фокусировки и заключающийся в угле расширения лазерного луча на значительном расстоянии от лазерного источника. РЛИ на 
несколько порядков меньше, чем у традиционных источников света. 
Монохроматичность – степень близости колебаний к идеальным 
колебаниям, имеющим вид  

 
X = Acos(ωt + φ), 

где амплитуда A, частота ω и фаза φ не зависят от времени t. 

Реальные колебания и волны не являются идеально монохроматическими. Немонохроматические колебания можно представить в виде суммы (конечного или бесконечного числа) идеальных монохроматических колебаний. Чем выше монохроматичность, тем в меньшем интервале частот группируются эти монохроматические составляющие. 
Хронология развития лазерной тематики 

Год 
Этап 
Автор 

1917 
Введение понятия вынужденного 
(индуцированного) излучения 
А. Эйнштейн 

1928 
Экспериментальное обнаружение 
вынужденного излучения 
Х. Копферман,  
Р. Ладенбург 

1950 
Экспериментальное обнаружение 
инверсии заселенностей 
Э. Парселл,  
Р. Паунд 

1951 
Предложение об усилении за счет 
вынужденного излучения 
В.А. Фабрикант,  
Дж. Вебер 

1954 
Первый мазер на аммиаке 
Дж. Гордон, Х. Цайгер, Ч. Таунс 

1957 
Первый твердотельный мазер 
Дж. Гордон, Х. Цайгер, Ч. Таунс 

1958 
Предложение об усилении за счет 
вынужденного излучения в оптическом диапазоне 

А. Шавлов,  
Ч. Таунс 

1959 
Предложение о создании газового 
лазера 
А. Джанаван 

1959 
Предложение о создании полупроводникового лазера 
Н.Г. Басов, Б.М. Вул,  
Ю.М. Попов 

1960 
Первый твердотельный (рубиновый) 
лазер 
Т. Мейман 

1961 
Первый He-Ne лазер 
А. Джанаван, В.Р. Беннет (мл.), 
Д. Эрриот 

1961 
Обнаружение нелинейного оптического эффекта (генерация гармоник) 
П. Франкен, А.Хилл, 
Ч.Питерс, Г.Вейнрайх 

1962 
Первый полупроводниковый  
(инжекционный) лазер 
М. Натан, В. Думке, Г, Бёрнс,  
Ф. Дил(мл.), Г. Лашер 

1965 
Первый лазер на центрах окраски 
Б. Фритц, Е. Менке 

1966 
Первый лазер на красителе 
П. Сорокин, Дж. Ланкард 

1969 
Соединение инжекционного лазера  
с электронными элементами  
(интегральная оптика) 
С. Миллер 

1971 
Первый лазер с распределенной обратной связью 
К. Шенк, Дж. Бьёркхолм,  
Х. Когельник 

1977 
Первый лазер на свободных  
электронах 
Д. Дикон, Л. Элайес, Дж. Мейди, 
Г. Реймен¸ Х. Шветтман, Т. Смит 

1984 
Первый солитонный лазер 
Л. Молленауэр, Р. Штолен 

1995 
Первый волоконный лазер 
В.П. Гапонцев 

Вклад российских ученых в квантовую электронику 

Год 
Персоналии 
Суть достижения 

1951 
В.А. Фабрикант 
Предсказал усиление  
за счет вынужденного излучения 

1959 
Н.Г. Басов 
Обосновал создание  
полупроводникового лазера 

1958 
И. Франк, И. Тамм,  
П. Черенков 
Нобелевская премия за открытие  
эффекта Вавилова – Черенкова 

1962 
Ю.Н. Денисюк 
Ленинская премия за метод получения 
голографического изображения 

1964 
А.М. Прохоров, Н.Г. Басов 
Нобелевская и Ленинская премии  
за открытие лазеров 

1995 
В.П. Гапонцев 
Создание волоконного лазера.  
Государственная премия РФ за 2011 г. 

2000 
Ж.И. Алферов 
Нобелевская премия за исследование  
полупроводниковых гетероструктур 

2003 
А.А. Абрикосов, 
В.А. Гинзбург 

Нобелевская премия за объяснение явлений сверхпроводимости и сверхтекучести 
с позиций квантовой электродинамики 

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ  
ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНИКИ 

1.1. Основные квантовые представления 

Основным положением квантовой физики является утверждение, 
что атомы или соизмеримые с ними системы могут находиться только в некоторых дискретных разрешенных энергетических состояниях 
или на определенных энергетических уровнях. 
Энергетические уровни атома обычно отстоят друг от друга на несколько электронвольт. В случае теплового равновесия при комнатной 
температуре атом чрезвычайно редко может оказаться на каком-либо 
уровне, кроме самого низкого, называемого основным энергетическим 
уровнем. Поскольку при комнатной температуре средняя тепловая энергия kT электронов составляет всего около 1/40 эВ (эВ – электронвольт, 
допускаемая к применению в физике, наравне с единицами СИ, внесистемная единица энергии; 1 эВ равен энергии, которую приобретает заряженная частица, несущая единичный элементарный заряд, при перемещении в электрическом поле между двумя точками с разностью потенциалов 1 В; 1эВ = 1,602 · 10–19 Дж, энергия тепловых флуктуаций 
очень редко оказывается достаточной, чтобы атом мог перейти на более 
высокий энергетический уровень. В отсутствие теплового равновесия 
атомы, конечно, могут перейти на более высокие энергетические уровни под действием различных внешних возбуждающих факторов, например, сильных электрических полей в электрическом разряде. 
В соответствии с основными положениями квантовой теории атомы или другие системы могут совершать скачки, или переходы, между двумя разрешенными энергетическими уровнями, сопровождающиеся испусканием или поглощением порции электромагнитной 
энергии – кванта. В зависимости от того, в какую сторону совершается переход – в сторону меньшей или большей энергии, квант уносит или приносит с собой энергию, теряемую или приобретаемую 
атомом в результате скачка, что в целом обеспечивает сохранение 
энергии. Частота ν излучаемого или поглощаемого кванта непосредственно связана с величиной энергетического скачка ΔЕ соотношением Планка 

 
ΔЕ = hν, 
(1.1) 

где h – постоянная Планка. 

Имеются два различных вида переходов между энергетическими 
уровнями, сопровождающихся испусканием фотонов: спонтанные 
(самопроизвольные) и индуцированные (вынужденные). Первые всегда сопровождаются спонтанным излучением: атом переходит с 
верхнего энергетического уровня на нижний, испуская при этом 
квант с частотой, определяемой соотношением (1.1). Для верхних 
энергетических уровней атома спонтанное излучение является обычно превалирующим процессом. Если даже атом каким-либо образом 
оказался на верхнем энергетическом уровне, он быстро вернется обратно на основной уровень в результате спонтанного излучения 
кванта света или, возможно, нескольких квантов, если атом совершает ступенчатый переход через несколько промежуточных энергетических уровней. Видимый свет, излучаемый электрической дугой, 
пламенем свечи и костра, обусловлен именно спонтанным излучением возбужденных атомов. 
Наоборот, индуцированные переходы между энергетическими 
уровнями вызываются (индуцируются) внешним электромагнитным 
излучением. Частота этого излучения должна быть равна или близка 
частоте перехода, определяемой соотношением Планка. Если это условие соблюдается, то излучение может воздействовать на атом, «вынуждая» его совершить переход. Если индуцированный переход происходит в сторону более высокой энергии, то атом поглощает квант 
индуцирующего излучения, тем самым ослабляя внешнее электромагнитное поле. Если же переход совершается в сторону более низкой энергии, то атом отдает (излучает) квант индуцирующему излучению. По отношению к пришедшему излучению переход на более 
высокий уровень соответствует процессу ослабления, а на более низкий уровень – процессу усиления. Индуцированные переходы обладают следующим важным свойством: при заданных параметрах приходящего излучения вероятности перехода атомов с верхнего уровня 
на нижний и с нижнего на верхний равны друг другу. Эти вероятности пропорциональны интенсивности приходящего излучения. 
Изложенной информации достаточно для понимания и объяснения оптических свойств окружающих предметов. Например, почему 
стекло прозрачно, а кирпичная стена, состоящая практически из тех 
же окислов, полностью блокирует прохождение света. Все дело в 
наличии или отсутствии энергетических уровней вещества, совпа-
дающих с энергией световых квантов. 
Исключение составляют электрические проводники. Непрозрачность металлических материалов связана с наличием в металле сво

бодных электронов, которые непосредственно взаимодействуют с 
электромагнитным полем световой волны. При этом энергия волны 
затрачивается на перераспределение электрического заряда в поверхностном слое металла, в результате чего световую волну невозможно наблюдать за металлической преградой. Другими словами, 
электронный газ в металле обладает широким непрерывным спектром возможных энергетических состояний, что позволяет ему поглощать излучение такого же широкого спектра. 

1.2. Индуцированное излучение 

Процесс индуцированного перехода играет важную роль в квантовом усилении и, соответственно, получении лазерного излучения. 
Рассмотрим совокупность атомов, которые имеют два энергетических уровня с энергиями Е1 и Е2 > Е1 (рис 1.1). 

 

Рис. 1.1. Два энергетических уровня  
и соответствующая им частота перехода 

Число атомов, находящихся на уровнях 1 и 2, или населенности 
этих уровней, равны соответственно n1 и n2, а общее число атомов 

 
N = n1 + n2. 

Допустим, что в систему, состоящую из этих атомов, поступает 
сигнал, т.е. некоторое внешнее излучение с частотой, равной частоте 
перехода 

 
ν21 = (Е2 – Е1) / h. 
(1.2) 

Число индуцированных переходов с каждого уровня, происходящих в единицу времени, будет определяться вероятностью индуцированного перехода за единицу времени W12 = W21, умноженной на 
число атомов, находящихся на данном уровне. Число переходов на 
верхний и нижний уровни, происходящих за 1 с, будет соответственно n1W12 и n2W21. Вероятность индуцированного перехода Wij прямо 

пропорциональна интенсивности индуцирующего излучения и, как 
указывалось выше, одинакова для обоих направлений. 
Поскольку переход на верхний уровень сопровождается поглощением, а переход на нижний уровень – излучением кванта энергии 
hν21, полная скорость поглощения энергии приходящего сигнала, или 
поглощаемая мощность, определяется как 

 
(
)
(
)
21
21
21
1
12
2
21
1
2
P
h
h
W
nW
n W
n
n
= ν
= ν
−
−
. 
(1.3) 

Иными словами, именно разность заселенностей n1 – n2 определяет поглощение мощности сигнала. При тепловом равновесии отношение населенностей двух энергетических уровней всегда описывается больцмановским соотношением, согласно которому населенность верхнего уровня всегда меньше населенности нижнего уровня 
(рис. 1.2). 

 

Рис. 1.2. Качественная диаграмма распределения заселенностей 
уровней при тепловом равновесии 

Если разность энергий уровней велика по сравнению с величиной kT, что справедливо для энергетических уровней при комнатной температуре, то второй уровень имеет гораздо меньшую заселенность, чем первый уровень. 
Во всяком случае, при тепловом равновесии разность населенностей n1 – n2 всегда положительна, что, согласно формуле (1.3), приводит к результирующему поглощению мощности. Система атомов, 
находящихся в тепловом равновесии, всегда ослабляет поступающий 
в нее сигнал, соответствующий переходу между энергетическими 
уровнями.