Применение лазеров в технологических процессах

техники, на жизнь современного общества.

Применение лазеров в ювелирной отрасли:

В последние годы наметилась тенденция расширения применения лазеров в

ювелирной отрасли. Наиболее широкое распространение получили станки для

обработки с твердотельными лазерами на алюмо-иттриевом гранате, излучение

которых достаточно хорошо поглощается основными материалами ювелирной

промышленности - драгоценными металлами и камнями. Часть технологических

процессов лазерной обработки полностью отработана и внедрена в ювелирной

отрасли, некоторые процессы и технологии находятся в стадии разработки, и

возможно, в скором времени могут быть применены для обработки изделий

ювелирной промышленности. Поэтому я постараюсь рассмотреть все возможные

варианты применения лазеров в технологических процессах ювелирной

промышленности.

Пробивка отверстий в камнях. Одним из первых применений лазеров была

пробивка отверстий в часовых камнях. Сверление отверстий всегда было

чрезвычайно трудоемкой операцией. Современная лазерная технология позволяет

прошивать отверстия требуемой формы в камнях различных типов с высокой

скоростью и качеством.

Лазерная сварка. Одним из первых применений лазеров в ювелирной

отрасли были операции ремонта различных изделий с помощью лазерной сварки.

Примером применения в серийном массовом производстве лазерной сварки

является лазерная сварка цепей при их производстве.

Рис. 4. Типы свариваемых цепей.

Действительно, всем известно и с успехом применяется оборудование для

производства цепочек, особенно итальянских фирм. Особенностью этого

процесса является его двухстадийность: сначала формируется цепочка, потом

производится ее пайка традиционными методами. Лазеры позволяют производить

сварку звена цепи непосредственно при его формировании на одной

технологической операции и одном и том же оборудовании. Впервые такая

технология была разработана для сварки золотых цепочек итальянской фирмой

Lаservall. Также возможно применение сварки при соединении различных узлов

ювелирных изделий, закреплении иголок знаков (рис.2), сварка большого

кольца для замка и т.п. Преимущества сварки лазером - локальность ввода

тепла, отсутствие флюсов и присадочного материала (припоя), низкие потери

материала при сварке, возможность соединения деталей изделий с камнями,

практически без нагрева всего изделия в целом. Следует особо отметить, что

лазерная сварка один из наиболее сложных технологических процессов и

требует отработки технологии (правил сборки, режимов сварки, подготовку и

конструирование узла под сварку) практически в каждом случае применения

этого процесса.

Лазерная сварка с присадкой (наплавка). Такой процесс может

осуществляться аналогично сварке, но с переплавлением в сварочной зоне

дополнительно присадочного материала - припоя. Так может быть решен вопрос

заварки внутренних пустот и раковин изделий, вскрывающихся при полировке и

шлифовки изделий после литья, а также сварка соединений с большими

зазорами.

Лазерная маркировка и гравировка. Одним из наиболее интересных методов

обработки драгоценных металлов является маркировка и гравировка.

Современные лазеры, оснащенные компьютерным управлением, позволяют наносить

на металл методом лазерной маркировки и гравировки (модификации поверхности

под воздействием лазерного излучения.) практически любую графическую

информацию - рисунки, надписи, вензеля, логотипы. Причем изображение можно

наносить как в растровом, так и в контурном изображении. Современное

оборудование позволяет перемещать лазерный луч со скоростью более двух

метров в минуту и обеспечивать графическое разрешение на металле до 10...15

линий на миллиметр. В такой технике возможно изготовление с низкой

себестоимостью различных подвесок, заколок, и других ювелирных изделий со

своеобразной лазерной графикой (рис.3). Также интересным применением

лазерной технологии гравировки является нанесение лазером различных

логотипов, вензелей владельцев, товарных марок и знаков на элементы

столовой посуды, как из драгоценных металлов, так и недрагоценных металлов,

например для обозначения «нерж.» на клинках ножей.

Рис.6. Образцы лазерной маркировки и гравировки ювелирных изделий.

Высокое разрешение (тонкие линии), точность и повторяемость (менее 5

мкм) графичес-кого рисунка на металле позволяет эффективно применить лазер

для маркировки разметки изделий под дальнейшую ручную гравировку, например

при изготовлении памятных знаков, медалей или инструмента для их

производства. Широкий диапазон режимов обработки на лазерах позволяет точно

дозировать энергию лазерного излучения, что в свою очередь обеспечивает

возможность высокоточной обработки двухслойных материалов, например

ювелирных изделий из недрагоценных металлов предварительно покрытых лаком.

Удаление лака под воздействием лазерного излучения без нарушения

геометрических параметров поверхности металла, дает возможность провести в

последующем гальваническое осаждение драгоценного металла практически

любого графического изображения и получить необычное изделие.

Маркировка бриллиантов. Современное развитие лазеров и лазерной

техники, совершенствование параметров лазерного излучения, разработка

принципиально новых лазерных излучателей открыло возможности маркирования

бриллиантов. По сообщениям журнала "Ювелирное Обозрение" американский

институт геммологии с целью улучшения характеристик рынка бриллиантов

приступил к маркированию лазером бриллиантов весом от 0,99 карат.

Аналогичные работы проводятся и в России. Так на рис. 4. приведен пример

нанесения изображения лазером на синтетический алмаз, который по физико-

химическим свойствам очень близок к натуральному камню и является хорошим

модельным материалом для исследования технологического процесса маркировки

бриллиантов. Поскольку, размер хорошо идентифицируемых знаков на

приведенном рисунке составляет около 125 мкм, то открывается возможность

маркировки лазером по рундисту бриллиантов весом от 0,2 карат, так как

размер рундиста при этом составляет около 200 мкм. Это очень перспективная

технология.

Клеймение. Клеймение является разновидностью лазерной маркировки, когда

изображение формируется на металле в результате проецирования

предварительно созданного рисунка лазерным лучом. Такой метод позволяет

легко получать небольшие размеры на металле и применяется для постановки

именников предприятия-изготовителя изделия и пробирных клейм. Высокое

разрешение позволяет получать изображения с высокой степенью защиты от

воспроизведения (подделки) и может применяться для постановки пробирных

клейм.

Клеймо на изделии одновременно является знаком его качества. Технология

нанесения клейма лазером не приводит к потери качества изделий, не требует

операций заправки клейма, обладает высокой производительностью и

эргономичностью. Особенно эффективно применение лазерного клеймения на

легковесные и тонкостенные изделия из драгоценных металлов.

Применение лазеров в военном деле:

К настоящему времени сложились основные направления, по которым идет

внедрение лазерной техники в военное дело. Этими направлениями являются:

1. Лазерная локация (наземная, бортовая, подводная).

2. Лазерная связь.

3. Лазерные навигационные системы.

4. Лазерное оружие.

5. Лазерные ситным ПРО и ПКО, создаваемые в рамках стратегической

оборонной инициативы - СОИ.

Сейчас, получены такие параметры излучения лазеров, которые способны

существенно повысить тактико-технические данные различных образцов военной

аппаратуры (стабильность частоты порядка 10-14, пиковая мощность 10-12 Вт,

мощность непрерывного излучения 104 Вт, угловой раствор луча 10-6 рад, t=10-

12 с,... =0,2...20 мкм.

Лазерная локация. Лазерной локацией называют область

оптикоэлектроники, занимающегося обнаружением и определением местоположения

различных объектов при помощи электромагнитных волн оптического диапазона,

излучаемого лазерами. Объектами лазерной локации могут быть танки, корабли,

ракеты, спутники, промышленные и военные сооружения. Принципиально

лазерная локация осуществляется активным методом. Нам уже известно, что

лазерное излучение отличается от температурного тем, что оно является

узконаправленным, монохраматичным, имеет большую импульсивную мощность и

высокую спектральную яркость. Все это делает оптическую локацию

конкурентоспособной в сравнении с радиолокацией, особенно при ее

использовании в космосе (где нет поглощающего воздействия атмосферы) и под

водой (где слоя ряда волн оптического диапазона существуют окна

прозрачности).

В основе лазерной локации, так же как и радиолокации, лежат три

основных свойства электромагнитных волн:

1. Способность отражаться от объектов. Цель и фон, на котором она

расположена, по-разному отражают упавшее на них излучение. Лазерное

излучение отражается от всех предметов: металлических и неметаллических, от

леса, пашни, воды. Более того, оно отражается от любых объектов, размеры

которых меньше длины волны, лучше, чем радиоволны. Это хорошо известно из

основной закономерности отражения, по которой следует, что чем короче длина

волны, тем лучше она отражается. Мощность отраженного в этом случае

излучения обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени.

Лазерному локатору принципиально присуща и большая обнаружительная

способность, чем радиолокатору - чем, короче волна, тем она выше. Поэтому-

то проявлялась по мере развития радиолокации тенденция перехода от длинных

волн к более коротким. Однако изготовление генераторов радиодиапазона,

излучающих сверх короткие радиоволны, становилось все более трудным делом,

а затем и зашло в тупик.

Создание лазеров открыло новые перспективы в технике локации.

2. Способность распространяться прямолинейно. Использование

узконаправленного лазерного луча, которым производиться просмотр

пространства, позволяет определить направление на объект (пеленг цели).

Это направление находят по расположению оси оптической системы,

формирующей лазерное излучение (в радиолокации - по направлению антенны).

Чем уже луч, тем с большей точностью может быть определен пеленг.

Определим коэффициент направленного действия, и диаметр антенны по

следующей простой формуле,

G = 4п * S

/ 2

где G - коэффициент направленного действия, S - площадь антенны, м2, /

- длина волны излучения мкм.

Простые расчеты показывают - чтобы получить коэффициент направленности

около 1,5 при пользовании радиоволн сантиметрового диапазона, нужно иметь

антенну диаметром около 10м. Такую антенну трудно поставить на танк, а тем

более на летательный аппарат. Она громоздка и нетранспортабельна. Нужно

использовать более короткие волны.

Угловой раствор луча лазера, изготовленного с использованием

твердотельного активного вещества, как известно, составляет всего 1,0 - 1,5

градуса и при этом без дополнительных оптических фокусирующих систем

(антенн). Следовательно, габариты лазерного локатора могут быть значительно

меньше, чем аналогического радиолокатора. Использование же незначительных

по габаритам оптических систем позволит сузить луч лазера до нескольких

угловых минут, если в этом возникнет необходимость.

3. Способность лазерного излучения распространяться с постоянной

скоростью дает возможность определять дальность до объекта. Так. при

импульсном методе дальнометрирования используется следующее соотношение:

L = ct и

2

где L - расстояние до объекта, км, С - скорость распространения

излучения км/с, t и - время прохождения импульса до цели и обратно, с.

Рассмотрение этого соотношения показывает, что потенциальная точность

измерения дальности определяется точностью измерения времени прохождения

импульса энергии до объекта и обратно. Совершенно ясно, что чем, короче

импульс, тем лучше (при наличии хорошей полосы пропускания, как говорят

радисты). Но нам уже известно, что самой физикой лазерного излучения

заложена возможность получения импульсов с длительностью 10-7 - 10-8 с.

А это обеспечивает хорошие данные лазерному локатору.

Какими же параметрами принято характеризовать локатор? Каковы его

паспортные данные?

Прежде всего зона действия. Под ней понимают область пространства, в

которой ведется наблюдение. Ее границы обусловлены максимальной и

минимальной дальности действия и пределами обзора по углу места и азимуту.

Эти размеры определяются назначением военного лазерного локатора.

Другим параметром локатора является время обзора. Под ним понимается

время, в течение которого лазерный луч приводит однократный обзор заданного

объема пространства.

Следующим параметром локатора являются определяемые координаты. они

зависят от назначения локатора. Если он предназначен для определения

местонахождения наземных и надводных объектов, то достаточно измерять две

координаты: дальность и азимут. При наблюдении за воздушными объектами

нужны три координаты. Эти координаты следует определять с заданной

точностью, которая зависит от систематических и случайных ошибок. Их

рассмотрение выходит за рамки данной книги. Однако будем пользоваться таким

понятием, как разрешающая способность. Под разрешающей способностью

понимается возможность раздельного определения координат близко

расположенных целей. Каждой координате соответствует своя разрешающая

способность. Кроме того, используется такая характеристика, как

помехозащищенность. Это способность лазерного локатора работать в условиях

естественных (Солнце, Луна) и искусственных помех.

И весьма важной характеристикой локатора является надежность. Это

свойство локатора сохранять свои характеристики и установленных пределах

в заданных условиях эксплуатации.

Схема лазерного локатора, предназначенного для измерения четырех

основных параметров объекта (дальности, азимута, угла места и скорости).

Хорошо видно, что конструктивно такой локатор состоит из трех блоков:

передающего, приемного и индикаторного. Основное назначение передающего

локатора - генерирование лазерного излучения, формирование его в

пространстве, во времени и направлении в район объекта. Передающий блок

состоит из лазера с источником возбуждения, модулятора добротности,

сканирующего устройства, обеспечивающего посылку энергии в заданной зоне по

заданному закону сканирования, а также передающей оптической системы.

Основное назначение приемного блока - прием излучения отраженного

объектом, преобразование его в электрический сигнал и обработка для

выделения информации об объекте. Оно состоит из приемной оптической

системы, интерференционного фильтра, приемника излучения, а также блоков

измерения дальности, скорости и угловых координат.

Индикаторный блок служит для указания в цифровой форме информации о

параметрах цели.

В зависимости от того, для какой цели служит локатор, различают:

дальномеры, измерители скорости (доплеровские локаторы), собственно

локаторы (дальность, азимут, и угол места).

Наземные лазерные дальномеры. Лазерная дальнометрия является одной из

первых областей практического применения лазеров в зарубежной военной

технике. Первые опыты относятся к 1961 году, а сейчас лазерные дальномеры

используются и в наземной военной технике (артиллерийские, таковые), и в

авиации (дальномеры, высотомеры, целеуказатели), и на флоте. Эта техника

прошла боевые испытания во Вьетнаме и на Ближнем Востоке. В настоящее время

ряд дальномеров принят на вооружение во многих армиях мира.

Задача определения расстояния между дальномером и целью сводится к

измерению соответствующего интервала времени между зондирующим сигналом и

сигналом, отражения от цели. Различают три метода измерения дальности в

зависимости от того, какой характер модуляции лазерного излучения

используется в дальномере: импульсный, фазовый или фазово-импульсный.

Сущность импульсного метода дальнометрирования состоит в том, что к

объекту посылается зондирующий импульс, он же запускает временной счетчик

в дальномере. Когда отраженный объектом импульс приходит к дальномеру, то

он останавливает работу счетчика. По временному интервалу автоматически

высвечивается перед оператором расстояние до объекта. Используя ранее

рассмотренную формулу, оценим точность такого метода дальнометрирования,

если известно, что точность измерения интервала времени между зондирующим и

отраженным сигналами соответствует 10-9 с. Поскольку можно считать, что

скорость света равна 3*1010 см/с, получим погрешность в изменении

расстояния около 30 см. Специалисты считают, что для решения ряда

практических задач этого вполне достаточно.

При фазовом методе дальнометрирования лазерное излучение модулируется

по синусоидальному закону. При этом интенсивность излучения меняется в

значительных пределах. В зависимости от дальности до объекта изменяется

фаза сигнала, упавшего на объект. Отраженный от объекта сигнал придет на

приемное устройство также с определенной фазой, зависящей от расстояния.

Это хорошо показано в разделе геодезических дальномеров. Оценим погрешность

фазового дальномера, пригодного работать в полевых условиях. Специалисты

утверждают, что оператору (не очень квалифицированному солдату) не сложно

определить фазу с ошибкой не более одного градуса. Если же частота

модуляции лазерного излучения составляет 10 Мгц, то тогда погрешность

измерения расстояния составит около 5 см.

Первый лазерный дальномер ХМ-23 прошел испытания, и был принят на

вооружение армий. Он рассчитан на использование в передовых наблюдательных

пунктах сухопутных войск. Источником излучения в нем является лазер на

рубине с выходной мощностью 2.5 Вт и длительностью импульса 30нс. В

конструкции дальномера широко используются интегральные схемы. Излучатель,

приемник и оптические элементы смонтированы в моноблоке, который имеет

шкалы точного отчета азимута и угла места цели. Питание дальномера

производится то батареи никелево-кадмиевых аккумуляторов напряжением 24в,

обеспечивающей 100 измерений дальности без подзарядки. В другом

артиллерийской дальномере, также принятом на вооружение армий, имеется

устройство для одновременного определения дальности до четырех целей,

лежащих на одной прямой, путем последовательного стробирования дистанций

200,600,1000, 2000 и 3000м.

Интересен шведский лазерный дальномер. Он предназначен для

использования в системах управления огнем бортовой корабельной и береговой

артиллерии. Конструкция дальномера отличается особой прочностью, что

позволяет применять его в сложенных условиях. Дальномер можно сопрягать при

необходимости с усилителем изображения или телевизионным визиром. Режим

работы дальномера предусматривает либо измерения через каждые 2с. в течение

Страницы: 1, 2, 3