У 1917 р А. Ейнштейн, вивчаючи рівновагу між енергією атомних систем і їх випромінюванням, висловив припущення про те, що світлові хвилі строго певної довжини можна отримати за рахунок вимушеного випромінювання атомів і молекул речовини. Це положення послужило основою для створення нового напрямку науки і техніки - квантової електроніки. Квантова електроніка вивчає різні ефекти, пов'язані з отриманням і застосуванням електромагнітних коливань оптичного діапазону.
У 1940 р радянський вчений В. А. Фабрикант вперше експериментально підтвердив положення А. Ейнштейна про вимушене випромінюванні атомів і молекул речовини.
В СРСР Н. Г. Басовим і А. М. Прохоровим були створені квантові генератори та підсилювачі хвиль сантиметрового і дециметрового діапазону, а в 1960 році було розроблено перший оптичний квантовий генератор (ОКГ), в якому в якості робочого тіла був використаний синтетичний рубін . Вчені дали йому назву «лазер». Термін «лазер» складається з перших букв англійських слів, що означають «посилення світла вимушеним випромінюванням». У 1961 році був створений ОКГ з активним робочим тілом, що складається з суміші гелію і аргону.
ОКГ незалежно від конструктивного виконання містить наступні основні елементи:
- робоче тіло (речовина), що складається з атомів або молекул, за допомогою яких може бути створено вимушене випромінювання (інверсія заселеність);
- за типом застосовуваного робочого речовини ОКГ можуть бути твердотільні, газові, рідинні і напівпровідникові;
- систему, що дозволяє отримати вимушене випромінювання (інверсію); - цю систему називають системою накачування;
- в ОКГ застосовують такі види накачування: оптичну - за рахунок опромінення речовини потужним світловим потоком; електричну - за рахунок проходження через речовину електричного струму;
- хімічну, коли вимушене випромінювання виникає за рахунок хімічної реакції, в якій бере участь робоче тіло;
- оптичний резонатор, який служить для здійснення взаємодії випромінювання з робочою речовиною і відбувається відбір енергії від часток;
- пристрої для виведення енергії з резонатора; систему управління концентрацією енергії та просторовим становищем отриманого пучка світла;
- спеціальні системи, пов'язані з конкретним застосуванням ОКГ.
Схема обробки деталі твердим оптичним квантовим генератором (лазером) приведена на рис. 17. Стрижень, виготовлений з робочої речовини, поміщається між двома дзеркалами. Перше дзеркало повністю відображає всі падаючі на нього промені, а друге дзеркало, що дозволяє частину енергії пропускати (корисну енергію), а частина відображати всередину робочої речовини (стрижень), є напівпрозорим. Ця частина енергії служить для залучення в генерацію нових порцій робочої речовини. Для накачування енергії використовується газорозрядна лампа-спалах, яка для більшої ефективності опромінення робочої речовини (кристала) поміщається разом з ним до будинку відображає кожуха, який має поперечний переріз у формі еліпса. При розміщенні лампи і кристала в фокусах еліпса створюються найкращі умови рівномірного освітлення кристала. Харчування лампи-спалаху здійснюється від спеціальної високовольтної батареї конденсаторів.
Найважливіша властивість лазерного випромінювання полягає в тому, що його можливо фокусувати на малій площі і, таким чином, створюючи високу концентрацію (щільність) енергії, отримують високі температури. Це властивість лазерного випромінювання використовують для ефективної обробки матеріалів як в машинобудуванні, так і в ремонтному виробництві.
Мал. 17. Схема обробки деталей лазерним променем:
а - вала; б - гільзи циліндра; в - неробочий стан речовини (синтетичний рубін, иттриево-алюмінієвий гранат, неодимові скло) в стрижні ОКГ; г - активний стан речовини (інверсія) за рахунок накачування при проходженні через речовину електричного струму; д - робочий стан робочої речовини в стрижні ОКГ; 1 - відбивний корпус; 2 - дзеркало, що відображає; 3 - стрижень робочої речовини; 4 - газорозрядна лампа-спалах (лампа накачування); 5 - напівпрозоре дзеркало; 6 - лазерний промінь; 7 - дзеркало зміни напрямку лазерного променя; 8 - фокусуються лінза; 9-патрон верстата; 10-гільза циліндрів; 11-зовнішня (або внутрішня) поверхню оброблюваної деталі лазерним променем; 12 - кабель; 13 - джерело струму; 14 - атоми робочої речовини
Процес взаємодії лазерного випромінювання з матеріалом деталі може бути розділений умовно на кілька стадій: поглинання світла, нагрівання матеріалу без руйнування, руйнування матеріалу у вигляді плавлення, випаровування, викидання розплавлених частинок, охолодження матеріалу після закінчення дії.
Лазерна обробка поверхонь деталей заснована на здатності лазерного випромінювання створювати на малій ділянці поверхні високу щільність теплового потоку, що дозволяє інтенсивно нагрівати або розплавляти практично будь-який матеріал. Лазерним випромінюванням можливо виробляти термообробку, наплавку, легування, напилення, зварювання деталей.
Мал. 18. Залежність виду лазерної обробки від співвідношення часу впливу лазерного променя і потужності випромінювання ОКГ
Висока концентрація енергії, що підводиться лазерного випромінювання і локалізація її впливу на поверхню деталі дозволяють практично виключити викривлення деталі (нагрівання піддається тільки поверхневий ділянку без нагріву маси самої деталі) і проводити нагрів оброблюваної поверхні деталі з високою швидкістю при дуже малому часу впливу лазерного пучка. Зважаючи на відсутність механічних впливів на оброблювані поверхні і можливість підведення лазерного променя за допомогою спеціальних оптичних систем до будь-яких поверхонь деталей, що вимагають обробки, доцільно піддавати лазерній обробці найбільш тендітні деталі.
Можливість регулювання параметрів лазерної обробки в широкому діапазоні режимів дозволяє отримувати структури поверхневого шару з заданими бажаними властивостями: твердістю, зносостійкістю, шорсткістю.
Залежно від часу впливу лазерного випромінювання на матеріал і потужності випромінювання мають місце різні ефекти від взаємодії випромінювання з поверхнею деталі (рис. 18).
Лазерним променем можна відновлювати і виробляти зміцнення робочих поверхонь гільз циліндрів, колінчастих і розподільних валів, фасок клапанів, валів агрегатів трансмісії та інших деталей - це запропонував В. І. Фролов.
До атегорія: - Ремонт автомобілів КАмаЗ