Маркировка металлов с использованием твердотельных лазеров.

     Маркировку изделий в настоящее время производят с помощью двух видов лазеров: для металлов- твердотельные на неодиме с длиной волны 1064 нм., и для прозразных пластиков, кожи, дерева, бумаги.

     Качественная маркировка предполагает удаление части материала из поверхностного слоя детали которую маркируют. Что следует понимать под словом "качетственное"? Это когда металл с поверхности удален без следа в строго очерченном пространстве и на дне образовавшейся лунки получилась поверхность оптически отличающаяся от остальной - черная на белом, рассеивающая на блестящем или что то в том же роде контрастное.

     Может ли непрерывный режим излучения создать такую поверхность? В принципе может, но для этого понадобиться не один киловатт мощности и лучом нужно будет водить по маркируемой поверхности с огромной скоростью, либо в противном случае начнется плавление и все что с этим связано- заливание расплавом металла краев изображения, выплески капель, сильный перегрев вокруг.

     Для испарения слоя металла толщиной 10-20 мкм, в пятне размером 30 мкм требуется с учетом всех отражений энергия порядка 2-5 х10 Дж и время воздействия этой энергии порядка 10 сек. Это типичный импульсный режим и его твердотельные лазеры обеспечить могут.

     Существуют два вида импульсных режимов- режим импульсной накачки при свободной генерации и режим добростности резонатора при непрерывной накачке.

     Первый для твердотеьных лазеров с оптической накачкой от газоразрядных ламп основан на том, что во время генерации инверсная неселенность лазерных уровней пооддерживается сильносуточным импульсным разрядом в лампе, а это значит, что формулой импульса можно управлять, модулируя ток лампы. Такой режим характерен достаточно большими энергиями излучения- до сотен джоулей- и относительно малой частотой повторения этих импульсов. Связано это с тем, что на больших частотах повторения импульсов плохо работают лампы накачки, в них долго происодит процесс деинизации газа.

     Второй режим характерен тем, что активный элемент лазера имее очень низкую добротность, т. е. отношение сосредоточенной в нем колебательной мощности к величине потерь близко к нулю. Но когда потери убираются, добротность резонатора поднимается до номинальной величины и начинается процесс генерации излучения. Импульс при этом получается весьма короткий -1 1,5 мксек - с крутым передним фронтом и более пологим задним. Связано это в первую очередь с тем, что в процессе накачки активного элемента инверсия в нем поднимается до почти предельной величины, линейный коэффициент усиления такой среды также велик, и как только оптической системе с квантовым усилителем внутри дают хоть малую возможность генерировать излучение, оно мгновенно нарастает до огромных величин за счет индуцированного излучения инверсно накачанной среды усилителя. Потом инверсия уменьшается, коэффициент усиления сигнала падет и излучение теряет интеснсивность, доходя в конечном итоге до того уровня мощности, которая была бы при непрерывном режиме генерации.

     Для маркировки металлических поверхностей используется именно режим модуляции добротности резонатора излучателя. При фокусировании такого излучения объективом с фокусным расстоянием порядка 150 мм и одномодовой генерации излучателя, что достигается применением неустойчивых резонаторов ,в фокусе получается пятно 10⁶ Вт/см²  , т.е. на металлической поверхности создается режим достаточно интенсивного испарения. Следует сразу оговориться, что плазма там все равно образуется, т.к. мгновенная плотность мощности на крутом переднем фронте импульса превышает величину 10⁷ Вт/см², но эта плазма не успевает сильно разогреться, т.к. последующая часть импульса препятствует прохождению лазерного луча к поверхности.

     Для примера: при работе маркирующего лазера по нержавеющей стали со средней мощностью около 10 Вт., частотой повторения импульсов порядка 2500 Гц и объективом с фокусным расстоянием около 165 мм, светящийся факел плазмы имел высоту порядка 12-15 мм над поверхностью металла, при этом эффективность использования энергии луча была н уровне 65-75%.

     Режим модуляции добротности в твердотельных лазерах осуществляют используя всевозможные оптические затворы, устанавливаемые внутри резонатора. Они различаются по физическим принципам работы, по скорости переключения, по лучевой стойкости и т.п. Существуют следующие основные типы затворов: пассивный самопросветляющийся затвор, электрооптический затвор на двулучепреломляющих кристаллах, акустооптический затвор. 

     Пассивный самопросветляющийся затвор работает на принципе просветления оптического жлемента в следствии насыщения поглотителя. Устанавливаемый в резонаторе кристалл, например, с концентрацией ионов хрома порядка 1-3 % (весовых)  в процессе накачки активного элемента подвержен воздействию спонтанного излучения, которое сильно в направлении оси резонатора.  Ионы хрома резонанстно поглощают излучение в диапазоне длинн волн 900-1200 нм и переходят в более высокое энергетическое сотояние ,где они уже излучение не поглащают. По мере перехода все большего количества ионов на верхний уровень поглощение падает и начиная с некоторого момента в резонаторе лазера возникает свободная генерация, которая окончательно переводит все оставшиеся ионы хрома в насыщенное сотояние. Это соответствует режиму просветления и в лазере очень быстро развивается генерация основного луча. Эти затворы характерны тем ,что во-первых хорошо работают только при импульсной накачке активного элемента -нужна достаточно высокая плотность спонтанного излучения, а во вторых позволяют получить импульс излучения с длительностью по основанию от 2-4 нс до 30-40 нс с весьма крутым передним фронтом. В режиме непрерывной накачки активного элемента перед пассивным затвором необходимо устанавливать еще один, более медленный затвор, например, акустооптический. Такие затворы используются для маркировки прозрачных веществ - стекла, кристаллов, пластиков.

    Электрооптический затвор работает по принципу изменения плотности поляризации материала при воздействии на нелинейный двулучепреломляющий кристалл электрического поля с напряженностю порядка 10-20 кВ/см. В качестве таких кристаллов в твердотельных лазерах используют в настоящее время кристаллы KDR, DKRP, ниобат лития и некоторые другие. Перед электроуправляемым кристаллом вдоль оси излучения устанавливается скрещенный поляризатор ,именуемый анализатором, при подаче на кристалл управляющего высоковольтного имульса плоскости их поляризации совпадали и в лазере начинался процесс генерации излучения с фронтом порядка 2-3 нс и общей длительностью до 50 нс. Выходное излучение здесь всегда поляризованное ,что для технологий бывает не всегда удобно. Единственное преимущество электрооптического затвора перед пассивным самопросветляющимся это то, что первый полностью управляемый и синхронизируемый. Но когда этого не требуется, проще и дешевле применять пассивный затвор.

    Для получения Q- имульсов - так принято называть импульсы лазера с модуляцией добротности - в технологиях чаще всего применяют акустооптический затвор. Он представляет собой параллепипед из плавленного кварца со слегка наклоненной верхней гранью. К основанию этого параллепипеда с помощью диффузной сварки или еще какими то хитрыми способами крепят излучатель ультразвука: чаще всего это тот же кварц ,но только монокристаллический и пластина вырезается в определнной плоскости. На обкладки этого излучателя подается ВЧ напряжение от внешнего генератора и в кварцевом параллепипеде вознакают акустические волны с длиной волны порядка 50 мкм - области сжатия и разрежения, где показатель преломления кварца разный.   Поскольку на затворе возбуждающих пластин две и работают они со здвигом фазы по управляющему сигналу около 90⁰ , то навстречу друг другу бегут волны сжатия -разрежения с общим расстоянием между гребнями около 25 мкм. Они создают пространственную фазовую дифракционную решетку с эквивалентым количеством штрихов на миллиметр около 50-60. Любое излучение, распространяющееся вдоль оси резонатора дифрагирует на оптических неоднородностях внутри затвора и отклоняется от оси. Дифракционный мксимум нулевого порядка ,или точнее то, что смогло "проскочить" не дифрагируя, становится менбше по амплитуде и при многократном прохождении через затвор не в состоянии возбудить автогенерацию лазерного излучения.Таким образом пока в затворе есть ультразвуковые колебания с неоходимой амплитудой ,генерация лазерного излучения не возникает. Но как только амплитуда ультразвука падает, прошедшее излучение все таки хоть и плохо, но заставляет лазер генерировать непрерывное излучение, которое расселяет инверсную населенность активного элемента и на импульс уже энергии не остается...Поэтому генерацию ультразвука отключают в момент начала Q- импульса в течении одного периода ВЧ колебаний. Поскольку акустические граничные условия затвора реализуют режим бегущей волны с минимальными отражениями от торцов, ультразвуковая волна исчезает в течение времени прохождения ею путь порядка 8-10 см, т.е. за время 1-2 мк сек. За это время успевает развиться лазерная генерация и выплеснуть накопленную в активном элементе энергию.

     Акустооптические затворы последних поколений в состоянии перекрывать излучение эквивалентное по выходу мощности излучения около 50 Вт.  Акустооптические затворы используются во всех твердотельных лазерных установках для маркировки. Они долговечны, компакты, ВЧ генератор для их возбуждения - не такая уж и сложная электроника и он очень хорошо стыкуется напрямую с управляющими сигналами от компьютеров.