Практика проведения лазерной резки материалов

2.5.2 Практика проведения лазерной резки материалов
2.5.2 Praktické provedení řezání materiálů laserem
Лазерная обработка, первоначально применяемая для резки тонколистовых материалов, все чаще используется и при резке толстолистовых материалов (до 10–12 мм для черных металлов). Считается, что лазерная резка металлов больших толщин экономически нецелесообразна и наиболее эффективным процессом для них является плазменная резка, а в некоторых случаях и электроэрозионный способ обработки.
Obrábění laserem bylo původně využíváno při řezání tenkých listových materiálů, stále častěji se však využívá také při řezání silnějších listových materiálů (do 10-12 mm u železných kovů). Laserové řezání kovů o velké tloušťce se považuje za ekonomicky neefektivní. Za nejefektivnější způsob řezání kovů o velké tloušťce se považuje řezání plazmou a v některých případech také elektroerozní způsob obrábění.
Лазерная резка металлов производится при плотности мощности 106–107 Вт/см². Лазерная резка материалов обычно производится непрерывными лазерами.
Řezání kovů laserem se provádí při hustotě výkonu 106-107 W/cm2 a řezání materiálů se obvykle provádí kontinuálními lasery.
Метод лазерной резки материалов заключается в том, что под воздействием энергии сфокусированного пучка лазерного излучения, направленного на обрабатываемую поверхность, происходит плавление и испарение материала. При перемещении луча по заданному контуру и удалении паров и жидкого металла из зоны резания воздухом, инертными газами или кислородом, подаваемыми соосно лучу, образуется рез. Такая резка называется газолазерной. Технологические (режущие) газы, кроме указанного, выполняют еще следующие функции: охлаждают кромки реза; защищают от сгорания органические вещества (N, Аг) и кислород; первоначально способствуя предварительному окислению металла; значительно увеличивает его поглощательную способность и дают дополнительную энергию (экзотермическая реакция). На некоторых ЛТС в зону резания (с целью увеличения их технологических возможностей), кроме режущего газа, подается вода.
Metoda řezání materiálů laserem spočívá v tom, že pod vlivem energie zaostřeného svazku laserového záření namířeného na obráběný povrch dochází k tavení a odpařování materiálu. Když dojde k posunu paprsku po stanoveném obrysu, odstranění par a tekutého kovu z řezné plochy za pomoci vzduchu, inertních plynů nebo kyslíku koaxiálně přiváděných k paprsku, tak vzniká řez. Takový způsob laserového řezání se nazývá řezání s podporou vzduchu. Asistenční (řezné) plyny plní kromě doposud zmíněných funkcí také následující: ochlazují řezné hrany, chrání organické látky (N, Ag) a kyslík před shořením, zpočátku napomáhají předběžnému okysličení kovu, což výrazným způsobem zvyšuje jeho absorpční schopnost, a poskytují dodatečnou energii (exotermická reakce). S cílem zvýšení technologických možností se do oblasti řezu některých LBM přivádí nejenom řezný plyn, ale také voda.
Лазерная резка материалов, в настоящее время производится двумя способами.
V současné době se řezání materiálů laserem provádí dvěma způsoby.
При первом способе рез производится за счет удаления продуктов разрушения материала из зоны воздействия лазерного излучения. Таким способом режут металлы, ткани и т.д. В этом случае для повышения эффективности процесса соосно лучу подают струю химически активного или инертного газа.
Prvním způsobem je řez prováděn odstraněním přebytečné látky z oblasti působení laserového záření. Tímto způsobem se řežou kovy, textilie a tak dále. V tomto případě je za účelem zvýšení efektivnosti procesu k paprsku koaxiálně přiváděn proud chemicky aktivního nebo inertního plynu.
Второй способ ‒ способ управляемого термоскалывания ‒ применяют для разделения хрупких материалов (например, стекла или керамики). При этом способе лазерный луч, перемещаясь по поверхности хрупкого материала (например, стекла), вызывает появление термического напряжения и микротрещин, следующих за ним. Разделение материала происходит по линии воздействия лазерного луча. Этот способ в какой-то мере подобен алмазной резке хрупких материалов.
Druhý způsob - způsob vyrytí linie za pomoci laseru s následným mechanickým lámáním se využívá pro řezání křehkých materiálů (například skla nebo keramiky). Při tomto způsobu řezání se laserový paprsek pohybuje po povrchu křehkého materiálu (například skla) a způsobuje nejenom tepelné napětí, ale zanechává za sebou na povrchu také mikrotrhliny. K rozdělení materiálu dochází v místě působení laserového paprsku. Tento způsob řezání křehkých materiálů je do značné míry podobný řezání skla diamantem.
Ширина реза определяется диаметром фокального пятна лазерного луча и составляет 0,2–0,5 мм для диаметра пятна луча 0,2–0,3 мм.
Šířku řezu určuje ohniskový průměr laserového paprsku, její velikost se pohybuje v rozmezí 0,2-0,5 mm při ohniskovém průměru stopy paprsku 0,2-0,3 mm.
Способность материала подвергаться резке лазером и глубина реза зависят
от его физико-механических свойств (от степени поглощения лазерного излучения при высокой температуре, от теплопроводности и удельной теплоемкости, температуры плавления и испарения и т.д.), от мощности лазерной установки, от скорости обработки, от вида применяемого технологического газа и т.п.
Schopnost materiálu podrobit se řezu laserem a s tím související hloubka řezu závisí nejenom na jeho fyzikálních a mechanických vlastnostech (na míře absorpce laserového záření za vysoké teploty, tepelné vodivosti, specifickém teplu, teplotě tavení a odpařování a tak dále), ale také na výkonu laserového zařízení, rychlosti obrábění, druhu používaného asistenčního plynu a tak dále.
Лазерная резка дает хороший эффект и ее применение технически целесообразно при изготовлении деталей из листовых материалов:
Řezání laserem nabízí vždy kvalitní výsledek a jeho technické využití je obzvláště efektivní při výrobě dílců z listových materiálů v následujících podmínkách:
• имеющих различные свойства (мягких, твердых, тугоплавких металлов, различных тканей и т.п.) на одной и той же машине, одним и тем же инструментом
• při řezání materiálů s různými vlastnostmi (měkký, pevný, žáruvzdorné kovy, různé textilie a další), za pomoci laseru je možné řezat materiály s rozdílnými vlastnostmi na jednom stroji prostřednictvím jediného nástroje
• в условиях мелкосерийного производства для получения плоских деталей, часть размеров которых имеет тенденции изменяться в процессе производства изделия
• řezání laserem je vhodné také pro malosériovou výrobu za účelem produkce plochých dílců, jež mají při výrobě tendenci měnit své rozměry
• плохо поддающихся холодной штамповке: аустенитные и высоколегированные стали и сплавы, дерево, оргстекло и т.д.
• při řezání materiálů špatně poddajných při lisování za studena (austenitické a vysoce legované oceli a slitiny, dřevo, organické sklo a tak dále)
• при необходимости изготовления небольших серий (примерно до 10000–15000 деталей в год) сложноконтурных деталей, имеющих вырезы различной конфигурации внутри детали (узкие щели, пазы с острыми углами, перемычки толщиной в пределах 1 мм и т.д.)
• řezání laserem je vhodné při výrobě malých sérií (přibližně do 10000-15000 dílců za rok) dílců náročných na výrobu, které mají výřezy různého uspořádání uvnitř dílce (úzké štěrbiny, drážky s ostrými úhly, příčné ostří o tloušťce v rozmezí 1 mm a tak dále)
• при серийном производстве штрихового мерительного инструмента и других случаях, когда применение лазерной резки экономически целесообразно
• při sériové výrobě přesných měřících zařízení a v dalších případech, kdy je použití řezání laserem z ekonomického hlediska efektivní
В настоящее время созданы ЛТС для обработки объемных деталей из листовых материалов. Лазерная обработка таких деталей возможна на машинах, у которых имеется управление рабочими органами по пяти осям: три поступательно движущихся и две вращающихся оси. Это дает возможность при заданном перемещении детали постоянно направлять лазерный луч по нормали к обрабатываемой поверхности, что необходимо для получения качественного реза.
V současné době existují LBM pro obrábění mohutných dílců z listových materiálů. Obrábění takových dílců laserem je možné pouze na strojích, které mají nastavitelný pracovní stůl s pěti osami: tři vykonávající translační pohyb a dvě otočné osy. To umožňuje při zadaném posunu dílce neustále směřovat laserový paprsek kolmo k obráběnému povrchu, což je podmínka nutná pro dosažení kvalitního řezu.
Ниже приводятся сравнительные таблицы 3.1 и 3.2, показывающие возможности различных методов резки титана разной толщины и затраты на эти операции, включая стоимость оборудования. Следует учесть, что после лазерной резки последующая обработка поверхностей реза, как правило, не требуется.
Níže se nacházejí srovnávací tabulky 3.1 a 3.2, které ukazují různé možnosti řezu titanu o různé tloušťce a výdaje vznikající při těchto operacích včetně ceny zařízení. Všimněte si, že po řezu laserem již zpravidla není nutné žádné další následné opracování řezné plochy.
Таблица 3.1
Tabulka 3.1
Сравнение скорости различных методов резки титана
Srovnání rychlosti různých metod při řezání titanu
Таблица 3.2
Tabulka 3.2
Сопоставление затрат на резку титана различными методами
Porovnání výdajů vzniklých při řezání titanu různými metodami
2.6 Лазерная обработка отверстий
2.6 Obrábění děr laserem
Применение лазерной технологии для прошивки отверстий в машиностроении связано с тем, что механическое сверление отверстий малого диаметра сопряжено с определенными трудностями, степень которых возрастает при обработке современных твердых и жаропрочных материалов.
Použití laserové technologie ve strojírenství za účelem obrábění děr má mnoho výhod oproti mechanickému obrábění (protahování děr). Mechanické vrtání děr o malém průměru je doprovázeno jistými obtížemi, které narůstají při obrábění moderních pevných a žárupevných materiálů.
Лазерная обработка отверстий производится на установках, работающих в импульсном и непрерывном режимах излучения. Применяемые плотности мощности колеблются в пределах 107 Вт/см2. При этом глубина отверстия и его форма зависят от фокусного расстояния линзы, положения фокальной плоскости относительно поверхности заготовки, энергии излучения и других факторов. Поэтому в зависимости от свойств обрабатываемого материала, размеров отверстий, точности отверстий необходимо выбирать соответствующие режимы и методы обработки.
Obrábění děr laserem se provádí na zařízeních pracujících v pulsním a kontinuálním režimu záření. Použitá hustota výkonu se pohybuje v rozmezí 107 W/cm2. Hloubka otvoru a jeho tvar přitom závisí na ohniskové vzdálenosti čočky, poloze ohniskové roviny vzhledem k povrchu obrobku, energii záření a dalším faktorům. Proto je v závislosti na vlastnostech obráběného materiálu, rozměrech a přesnosti děr nutné volit vhodné režimy a způsoby obrábění.
Лазерная обработка наиболее эффективна при изготовлении небольших (до 1 мм) отверстий на труднообрабатываемых материалах, например, в алмазных фильерах, рубиновых часовых камнях и т.д.
Laser je nejefektivnějším způsobem obrábění při zhotovování malých děr (do 1 mm) v těžce obrobitelných materiálech, kterými jsou například diamantové průvlaky, rubínové kameny do hodinek a tak dále.
Отверстия до 1 мм, как правило, получают за счет копирования формы сфокусированного пучка лазерного излучения, а большего диаметра ‒ за счет обработки по кольцевому контуру.
Díry o průměru do 1 mm jsou zpravidla vyráběny způsobem kopírování tvaru zaostřeného svazku laserového záření, díry o větším průměru vznikají metodou spirálového vrtání.
Грубые отверстия при импульсной обработке можно получать за счет вырезания обходом по контуру подобно высверливанию.
Hrubé díry vyráběné vrtáním v pulzním režimu je možné získat také metodou trepanačního vrtání, která je založená na podobném principu jako předvrtání.
2.7 Лазерная сварка
2.7 Svařování laserem
Применение лазеров существенно расширяет возможности технологического процесса сварки. С помощью лазеров можно сваривать конструкционные стали и сплавы (титановые, медные, алюминиевые и др.), неметаллы (полиэтилен, полихлорвинил, искусственные ткани и т. п.).
Užití laserů podstatně rozšířilo možnosti technologického procesu svařování. Pomocí laserů je možné svařovat konstrukční oceli a slitiny (titanu, mědi, hliníku a další), nekovy (polyetylen, polyvinylchlorid, syntetická vlákna a tak dále).
В основе лазерной сварки лежит процесс быстрого нагрева малых объемов металла до расплавления, что становится возможным благодаря высокой концентрации энергии в лазерном луче.
Svařování laserem je založeno na principu rychlého zahřátí malého množství kovu do jeho roztavení, což je možné pouze díky vysoké koncentraci energie soustředěné v laserovém paprsku.
Сварка заготовок происходит после достижения на поверхности металла температуры, равной точке его плавления. В зоне воздействия лазерного луча в поверхностном слое материала начинается плавление и перемещение жидкой фазы в глубь свариваемых заготовок. Образуется сварочная ванна, которая проникает на определенную глубину. При перемещении лазерного луча вдоль свариваемых поверхностей формируется сварочный шов.
K procesu svařování polotovarů dochází tehdy, když je na povrchu kovu dosaženo teploty, která je rovna bodu tavení svařovaného kovu. V tu dobu začíná v oblasti působení laserového paprsku na povrchovou vrstvu materiálu docházet k tavení a přemístění kapalné fáze do hloubky svařovaných polotovarů. V souvislosti s tímto procesem vzniká svarová lázeň, která proniká do určité hloubky. Při přemístění laserového paprsku podél svařovaných povrchů dochází k utváření svarového švu.
Основные параметры, которые определяют возможность образования сварного шва ‒ мощность лазерного излучения и время воздействия луча на данном участке. Процесс сварки осуществляется при плотностях мощности примерно 105–106 Вт/см2. Меньшие плотности не обеспечивают плавления металла вследствие высокой теплопроводности, большие могут вызвать испарение и выброс материала из зоны сварки.
Základními parametry, které určují možnosti vzniku svarového švu, jsou výkon laserového záření a doba působení paprsku v určité oblasti. K procesu svařování dochází při hustotě výkonu přibližně o velikosti 105-106 W/cm2. Při nižších hustotách nedochází k tavení kovu v důsledku vysoké tepelné vodivosti a naopak vysoké hustoty mohou způsobit odpaření a výstřik materiálu z oblasti, v níž dochází ke svařování.
Лазерная сварка имеет ряд достоинств: отсутствие контактных воздействий; высокая концентрация энергии; малая продолжительность воздействия лазерного луча в данном участке. Это приводит к существенному снижению зоны термовлияния по сравнению с дуговой сваркой и, как следствие, к малым температурным деформациям; отпадает необходимость применения флюсов при сварке конструкционных сталей и вакуумных камер при сварке химически активных металлов (например, Ti сплавов); cварка ведется, либо на воздухе, либо в среде защитных газов (Аг, Не и др.); cварка осуществляется
в различных пространственных положениях и в труднодоступных местах, например, внутри вакуумных приборов через окна, прозрачные для лазерного излучения; возможность вести сварку без присадочного материала; сварка тонкостенных и миниатюрных деталей, возможность сварки традиционно несвариваемых материалов.
Svařování laserem má řadu výhod: probíhá bezkontaktně, za vysoké koncentrace energie a krátké doby působení laserového paprsku v určité oblasti. Ve srovnání se svařováním elektrickým obloukem to vede k podstatnému zmenšení tepelně ovlivněné oblasti, v jehož důsledku dochází pouze k malým tepelným deformacím, eliminuje nutnost užití tavících přísad při svařování konstrukčních ocelí a vakuových komor při svařování chemicky reaktivních kovů (například slitin Ti), svařování se provádí buď na vzduchu, nebo v přítomnosti ochranných plynů (Ar, He a další), svářování je možné v různých prostorových polohách a na špatně přístupných místech, například uvnitř vakuových zařízení přes okna, která propouští laserové záření, možnost provádět svařování bez přídavného materiálu, možnost svařování tenkostěnných a miniaturních dílců, možnost svařovat materiály, které jsou jinými způsoby prakticky nesvařitelné.
Лазерная сварка цветных металлов с успехом заменяет им процесс пайки. Исключается необходимость использования дорогостоящих припоев. Кроме того, процесс лазерной сварки более экологически чист, чем пайка, так как не требуется применение флюсов.
Laserové svařování neželezných kovů úspěšně nahrazuje proces pájení. Při svařování laserem odpadá nutnost používat nákladné pájkové kovy. Mimo jiné je proces svařování laserem šetrnější k životnímu prostředí než pájení, protože není nutné užití tavicích přísad.
К недостаткам лазерной сварки можно отнести необходимость повышенной точности, как подгонки деталей, так и позиционирования свариваемых деталей относительно луча лазера.
Hlavní nevýhodou svařování laserem je nutnost velmi vysoké přesnosti nejenom při lícování dílců, ale také při určování pozice svařovaných dílců vzhledem k laserovému paprsku.
2.8 Лазерная маркировка
2.8 Značení laserem
Сфокусированное лазерное излучение с определенными параметрами воздействия на материалы приводит к их испарению, оставляя след на участке облучения. Относительное перемещение луча или заготовки по заданной программе позволяет на обрабатываемой поверхности получать изображения в виде букв, цифр, рисунков и т. д. Эта особенность лазерного излучения используется для маркировки деталей и изделий, имеющих сложную конфигурацию, для изготовления различных табличек ‒ носителей информации.
Zaostřený paprsek laserového záření o určitých parametrech působící na materiály způsobuje odpařování materiálů a zanechává na nich stopy v místě ozáření. Relativní pohyb paprsku nebo polotovaru na základě stanoveného programu dovoluje na obráběném povrchu vytvářet vyobrazení v podobě písmen, číslic, obrázků a tak dále. Tato schopnost laserového záření se využívá při značení dílců a výrobků se složitou konfigurací a pro výrobu tabulek, nesoucích různé informace.
Лазерная гравировка деталей осуществляется за счет удаления небольших объемов материала с их тела. Для этих целей применяются лазерные технологические системы, оснащенные, твердотельными и газовыми лазерами.
Laserové gravírování dílců se provádí na základě úběru malých množství materiálu z povrchu dílce. Za tímto účelem se využívají technologie laserových systémů, konkrétně se jedná o pevnolátkové a plynové lasery.
Лазерная маркировка имеет ряд преимуществ перед такими методами маркировки деталей и изделий, как клеймение, механическая гравировка, травление и т.п. Применяемые для этих целей при традиционной технологии материалы (чернила, клей, бумага, и другие вспомогательные средства) из употребления исключаются.
Značení laserem má řadu výhod oproti metodám značení dílců a výrobků jakými jsou například cejchování, mechanické gravírování, leptání a tak dále. U laseru za tímto účelem na rozdíl od tradičních metod není nutné využívat inkoust, lepidlo, papír a další pomocné prostředky.
Процесс маркировки производится с высокой скоростью (несколько десятков знаков в секунду) при отсутствии механического воздействия на обрабатываемую деталь и стружки. Он не требует последующей обработки и одинаково пригоден для нанесения различной информации на металлические поверхности, бумагу, дерево, стекло и другие материалы, и на покрашенные поверхности, не разрушая слои грунтовки.
Proces značení probíhá velmi rychle (několik desítek znaků za sekundu), bez jakéhokoliv mechanického působení na obráběný dílec a bez vzniku třísek. Dílec již nepotřebuje žádné další následné opracování, tento způsob je vhodný jak pro přenesení různých informací na kovové povrchy, papír, dřevo, sklo a další materiály, tak pro lakované povrchy bez toho, aniž by došlo k porušení vrstvy nátěru.
Особую важность лазерная гравировка приобретает при изготовлении мерительного штрихового инструмента, увеличивая точность и производительность нанесения знаков и рисок.
Obzvláště důležité je laserové gravírování při výrobě ciferníků v měřicích zařízeních, kde s pomocí laserů dochází ke zvýšení přesnosti a zvýšení objemů výroby při nanášení symbolů a rysek.
3 ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ СО2 ЛАЗЕР
3 IMPULZNÍ CO2 LASER
3.1 Введение
3.1 Úvod
СО2 - лазеры непрерывного и импульсного действия в настоящее время широко применяются в самых различных областях научных исследований и вряде отраслей промышленности. В течение последних лет значительный интерес вызывают импульсно-периодические лазеры на основе СО2. Отличительной особенностью лазеров этого типа является сочетание средней выходной мощности, типичной для непрерывных лазеров (сотни Вт - единицы кВт) с пиковой мощностью, характерной для импульсных лазеров (единицы - десятки МВт). Воздействие излучения импульсно-периодических лазеров на вещество еще не исследовано в полном объеме и является предметом работ, проводимых в настоящее время рядом исследовательских центров как в нашей стране, так и за рубежом. В опытнопромышленных целях такие лазеры используются пока мало, преимущественно для разделения изотопов и в лидарных устройствах.
CO2 lasery pracují v kontinuálním i pulsním režimu začínají v současné době nacházet široké uplatnění v nejrůznějších oblastech vědeckého výzkumu a v řadě dalších průmyslových odvětví. V posledních letech vyvolávají značný zájem obzvláště impulsní lasery na bázi CO2. Charakteristickým rysem tohoto typu laseru je kombinace průměrného výstupního výkonu, který je typický pro kontinuální lasery (stovky W – jednotky kW), se špičkovým výkonem, který je charateristickým znakem pulsních laserů (jednotky – desítky MW). Účinek záření impulsních láserů na látky doposud nebyl v celém svém rozsahu prozkoumán a je v současné době předmětem zkoumání mnoha výzkumných center jak u nás, tak v zahraničí. Ve vývoji průmyslových technologií se tyto lasery využívají prozatím poměrně málo, a to především pro dělení izotopů a v LIDARECH.
3.2 Эффективность газовых лазеров
3.2 Učinnost plynových laserů
Диапазон частот, в которых работают газовые лазеры, очень широк – от субмиллиметровых волн до вакуумного ультрафиолета.
Frekvenční rozsah plynových laserů je velký – od submilimetrových vln po ultrafialové záření získávané ve vakuu.
Многие известные газовые лазеры на электронных переходах видимого диапазона имеют крайне малый КПД. Прчина заключается в неселективном характере возбуждения и очень малой величине квантового КПД. Дело в том, что в интервале энергий, где электрон связан с атомом, энергетические уровни распределены очень неравномерно. Как правило, энергия первого возбужденного состояния составляет около половины от энергии ионизации, а во второй половине расположено очень большое число уровней, сгущающихся к ионизационному пределу.
Mnoho významných plynových laserů založených na principu přechodu elektronů ve viditelném rozsahu mají velmi nízkou η. Důvod spočívá v neselektivní povaze buzení a velmi malé hodnotě kvantové η. Podstata spočívá v tom, že v intervalu vyzařovaných energií, kdy je elektron spojen s atomem, dochází k uspořádání energetických hladin velmi nerovnoměrně. Zpravidla je energie prvního vybuzeného stavu tvořena přibližně z poloviny ionizační energií a druhá polovina energie se nachází ve velkém počtu hladin hromadících se a blížících k prahu ionizace.
Так как лазерными бывают чаще всего какие-либо высоковозбужденные состояния, то оказывается, что разность их энергий много меньше самой энергии, т. е. квантовый КПД таких систем мал ΔЕ << Е. Кроме того, для возбуждения нужного уровня из имеющегося обычно широкого энергетического спектра электронов (в газовом разряде), фотонов (при некогерентном оптическом возбуждении) или каких-либо других частиц, может быть использован только узкий участок спектра. Энергия же остальных частиц уходит на возбуждение уровней, не участвующих в создании инверсной населенности. Таким образом, эффективность использования энергии для накачки нужного уровня также оказывается весьма низкой. Эти же особенности электронного спектра характерны и для молекул.
Jelikož plynové lasery ve většině případů fungují na principu vysoce vybuzených stavů, ukazuje se, že rozdíl v jejich energiích je mnohem menší než samotná energie, to je kvantová η, a rozdíl těchto dvou jednotek je malý ΔЕ << Е. Kromě toho za účelem vybuzení o požadované hladině z obvykle dostupného širokého energetického spektra elektronů (v plynovém výboji), fotonů (při nekoherentním optickém buzení) nebo jiných dalších částic, může být použita pouze úzká část spektra. Energie zbylých částic se vyčerpá na vybuzení hladin, které se nepodílí na vytvoření inverze populace. To znamená, že účinnost využité energie za účelem buzení požadované hladiny je také poměrně nízká. Tyto zvláštnosti elektronového spektra jsou charakteristické také pro molekuly.
Иначе обстоит дело с колебательными энергетическими уровнями молекул. Из-за большой массы ядер расстояния между нижними колебательными уровнями молекул значительно меньше, чем энергия первого возбужденного электронного уровня, и в то же время она велика по сравнению с тепловой энергией молекул при комнатной температуре. Благодаря этому, например, в электрическом разряде можно подобрать такие условия, что будет происходить интенсивное возбуждение колебательных уровней молекул, в то время как электронные уровни останутся практически невозбужденными и, так как kT << hω, то колебательная энергия может сохраняться достаточно долго, не переходя в энергию теплового движения. Нижние уровни энергии колебаний двухатомных молекул почти эквидистантны. У многоатомных молекул существует некоторое число видов колебаний, определяемых структурой молекулы. Нижние уровни каждого типа колебаний также эквидистантны. Eсли мы теперь будем возбуждать какой-либо колебательный уровень молекулы, то из-за эквидистантности уровней данного типа колебаний (или данной моды) происходит быстрый обмен энергией между молекулами с различным числом квантов этого типа. Таким образом, спустя короткое время из-за обмена энергией при столкновениях окажутся возбужденными и другие уровни, что препятствует достижению инверсной заселенности уровней одного типа колебаний молекулы.
Jiná situace nastává s kmitavými energetickými hladinami molekul. Kvůli velké hmotnosti jader je vzdálenost mezi spodními kmitavými hladinami molekul výrazně menší, než energie první vybuzené elektronové hladiny, zároveň je však tato energie ve srovnání s tepelnou energií molekul při pokojové teplotě velká. Díky tomu je možné například zvolit při elektrickém výboji takové podmínky, při kterých bude probíhat intensivní vybuzení kmitajících hladin molekul, zatímco elektronové hladiny zůstanou prakticky nevybuzené a kT << hω , tak vibrační energie může zůstat zachována dostatečně dlouho na to, aby se nezměnila v energii tepelného pohybu. Spodní kmitavé energetické hladiny dvouatomových molekul jsou téměř ekvidistantní. U víceatomových molekul existuje několik způsobů kmitání, které určuje struktura molekuly. Spodní hladiny každého typu kmitání jsou taktéž ekvidistantní. Pokud se nyní pokusíme vybudit jakoukoliv kmitavou hladinu molekuly, tak dojde z důvodu zachování konstantní vzdálenosti hladin o daném typu kmitání (nebo daném módu) k rychlé výměně energie mezi molekulami tohoto typu s rozdílným kvantovým číslem. Tímto způsobem se po uplynutí krátké doby (z důvodu výměny energie během srážek molekul) stanou vybuzenými také další hladiny, které brání dosažení inverzní populace hladin molekulám jednoho typu kmitání.
Однако можно подобрать, например, двухатомную и многоатомную молекулы так, чтобы колебательный квант двухатомной молекулы совпадал с колебательным квантом одного из типов колебаний многоатомной молекулы. Тогда, благодаря резонансному характеру обмена энергией, будет происходить возбуждение только одного типа (который находится в резонансе) колебаний многоатомной молекулы. Эффективность создания инверсии между уровнями энергии колебаний разного типа может быть очень высокой.
Dvouatomové a víceatomové molekuly si je možné vybrat například takovým způsobem, že vibrační kvantum dvouatomové molekuly se bude shodovat s vibračním kvantem jednoho typu kmitání víceatomových molekul. Poté bude díky rezonančnímu charakteru výměny energie docházet k vybuzení pouze jednoho typu (o shodné rezonanci) kmitání víceatomových molekul. Účinnost vytvoření inverze mezi energetickými hladinami o různém typu kmitání může být vysoká.
С другой стороны, так как различие между квантами разных типов колебаний сопоставимо с величиной самих квантов, то квантовый КПД молекулярных газов может достигать 50 %.
Na druhou stranu rozdíl mezi kvanty s různými typy kmitání je srovnatelný s velikostí samotných kvant, což znamená, že kvantová η molekulárních plynů může dosáhnout až 50 %.
|