Теория лазерной гравировки

В наши дни слово «лазер» стало весьма популярным. Лазерные принтеры, лазерная медицина, лазерные шоу, лазерная сварка и лазерная резка, — эти словосочетания у всех на слуху. 

В основе всех этих явлений лежит работа прибора, называемого оптческим квантовым генератором, или лазером(LASER — аббревиатура от английского словосочетания «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что переводится как «усиление света в результате вынужденного излучения»).

Лазер — это источник электромагнитного излучения видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, основанный на вынужденном излучении атомов и молекул. По сравнению с другими источниками света лазер обладает рядом уникальных свойств, связанных с когерентностью и высокой направленностью его излучения. Излучение «нелазерных» источников света не имеет этих особенностей. 

Вынужденным называется такой тип излучения, при котором при бомбардировке вещества квантами возбужденные атомы облучаемой среды переходят на более низкий энергетический уровень и излучают при этом кванты энергии. Излучаемые «новорожденные» кванты полностью тождественны первому — у них такая же энергия, такое же направление движения, такая же поляризация и такая же фаза. Получается, что исходный фотон принуждает частицу «породить» его собственную копию. В обычных условиях возникновение вынужденного излучения маловероятно. Для этого нужно, чтобы облучаемое вещество находилось в таком состоянии, когда возбужденных частиц в ней больше, чем невозбужденных. Среда, которая отвечает этому условию, называется инверсной. Инверсные среды получают искусственно, разными способами, причем все они требуют затраты энергии, так называемой «накачки». Инверсная среда может быть источником излучения, но, как правило, физически неинтересным. Такая среда всего лишь самопроизвольно (как говорят физики, спонтанно) излучает по всем направлениям фотоны одинаковых энергий (монохроматический свет). 

Ситуация радикально изменится, если из инверсной среды извлекать энергию, сконцентрированную в узком пучке. Проще всего это сделать, поместив среду в трубку с зеркалами на концах, перпендикулярными к оси трубки. Поскольку спонтанное излучение распространяется во все стороны, какая-то часть его направится строго вдоль оси трубки. Эти фотоны, и только они, многократно отразятся от зеркал и извлекут из среды свои многочисленные копии. В результате пространство между зеркалами заполнится одинаковыми фотонами, мечущимися в обоих направлениях. Пока воздействие на среду обеспечивает сохранение инверсии, это положение сохраняется. Однако если хоть одно зеркало сделать полупрозрачным, то часть фотонов уйдет наружу (непрерывно или импульсами, в зависимости от того, как именно осуществляется инверсия). В итоге возникнет либо стабильный, либо пульсирующий поток (в случае пары полупрозрачных зеркал — два потока) идентичных фотонов. Подобное излучение называется когерентным. В идеале все когерентные фотоны обязаны двигаться параллельно, но на практике луч все же будет расходиться, хоть и незначительно. Это и есть лазер, квантовый генератор вынужденного когерентного светового излучения. 

Выходит, что для работы лазера необходимы три основных компонента: оптическая среда, способная пропускать и излучать фотоны; физический механизм, приводящий ее в состояние инверсии (этот процесс называется накачкой); наконец, устройство для селекции и усиления идентичных фотонов (так называемый оптический резонатор), в данном случае — торцевые зеркала. Кроме того, чтобы повысить плотность мощности лазерного луча и превратить его в инструмент, способный воздействовать на материал и изменять его структуру, необходимо сфокусировать лазерный луч на поверхности обрабатываемого материала в пятно диаметром в десятые доли миллиметра. Для этого на расстоянии нескольких сантиметров от поверхности обрабатываемого материала на пути луча устанавливается фокусирующая линза. Если теперь с помощью двухкоординатного привода, управляемого от компьютера, двигать стол с материалом или, наоборот, перемещать лазерный резак над неподвижным столом, то получится станок для лазерной обработки материалов. 

В основном для обработки материалов используются два класса лазеров, различаемые по типу оптической среды: так называемые твердотельные и газовые лазеры. Есть еще всякая экзотика типа зеленых лазеров на парах меди, красных на рубине, цветных на жидких красителях, полупроводниковых и т.д. Но все они имеют ограниченную область применения и редко используются для обработки материалов в утилитарном смысле этого слова. Самая простая лазерная операция, не требующая очень сложного оборудования и мощного лазера — гравировка. Рабочее поле простейших гравировальных лазерных установок около квадратного дециметра, отклонение лазерного луча осуществляется двумя колеблющимися зеркалами. Если используется твердотельный лазер, можно гравировать металл и камень на глубину около десятой доли миллиметра, что вполне достаточно для хорошо обработанной поверхности. 

Если на установке стоит газовый лазер, то можно гравировать на дереве, стекле, коже, пластике. При лазерной гравировке в результате плавления и испарения материала под воздействием излучения достаточно высокой интенсивности на поверхности материала образуется канавка глубиной в сотые или десятые доли миллиметра. При еще более высокой мощности луча локальное испарение дополняется обугливанием (карбонизацией) поверхности обработки, и цвет гравированного рисунка или надписи становится более темным — это гравировка с изменением цвета.