В условиях вакуума лазерная плазма является интенсивным источником теплового излучения. Расчеты показали, что при воздействии излучения неодимового лазера умеренных интенсивностей на мишени из тяжелых элементов, в частности, висмута и свинца, от 30 до 50% лазерной энергии преобразовывается в энергию теплового излучения главным образом в области вакуумного ультрафиолета (ВУФ). Для легких элементов, таких как алюминий и углерод, коэффициент преобразования в 2 – 3 раза ниже. Эти теоретические расчеты подтвердились в проведенных там же экспериментах, причем кроме основной гармоники неодимового лазера 1,06 мкм использовалась также 3-я гармоника этого лазера 0,35 мкм.

Теория предсказывает, что эффективность преобразования лазерной энергии в тепловую энергию плазменного излучения возрастает с ростом длины волны лазера. В этом случае, при прочих равных условиях, возрастает температура плазмы и жесткость испускаемого ею излучения. Для экспериментальной проверки теоретических оценок были проведены исследования излучения лазерной плазмы, образуемой импульсным воздействием СО₂лазера на алюминиевую мишень [24]. Алюминиевая пластинка устанавливалась в вакуумной камере при остаточном давлении воздуха 10^–4 тор. Излучение плазмы измерялось пироэлектрическими приемниками, их чувствительность постоянна в области 40 – 1100 нм, разрешение во времени порядка микросекунды. В диапазоне плотностей мощности от 5.10⁷ до 10⁹ Вт/см² плазма, возникавшая при действии СО₂лазера, переизлучала значительно эффективней, чем в случае неодимового лазера. Максимальное значение коэффициента преобразования, равное 75%, достигалось при плотности мощности воздействующего излучения 7.10⁸Вт/см². При плотности мощности 2.10⁸ Вт/см² этот коэффициент составлял 55%. Теоретический расчет спектра переизлучения плазмы показал высокую степень ее селективности. Максимальная температура электронов и ионов в плазме достигала 20 эВ, а основная часть излучения (~70%) лежит в диапазоне 30–50 эВ. При снижении плотности мощности до 5.10⁷ Вт/см² эффективность снижается до 30%, а максимальная температура до 12 эВ, но основное излучение плазмы лежит примерно в тех же областях спектра, что и при более высоких значениях интенсивности лазерного луча. Контрольные опыты показали независимость излучения плазмы от давления, если его величина ниже 10^–2 тор.

Использование СО₂лазера позволило получить высокие коэффициенты преобразования лазерной энергии в вакуумное ультрафиолетовое излучение плазмы, достигающие на алюминиевой мишени при умеренных интенсивностях 30 – 50%. В экспериментах с неодимовым лазером эти значения удавалось получить только на мишенях из тяжелых материалов при плотностях мощности на два порядка более высоких. Таким образом, СО₂лазер становится эффективным источником получения в вакууме квантов электромагнитного излучения с энергией порядка 11 эВ.

Рассмотренные в этой главе данные о характере воздействия мощного лазерного излучения на материалы в основном получены при импульсном режиме работы. В случае непрерывного режима ситуация иная, так как в таком режиме образование плазмы достигается только при чрезвычайно высоких значениях плотности мощности. Однако, приведенные данные важны не только для понимания физики протекающих процессов взаимодействия излучения с материалами, но и при проведении реальных технологических процессов, поскольку лазерные станки более эффективно используются при работе в частотно-импульсном, а не в непрерывном режиме работы. Не говоря уже о том, что применение твердотельных лазеров возможно только в импульсном или частотно-импульсном режиме, как отмечалось в разделе 3. Для успешного использования частотно-импульсного режима при обработке материалов необходимо, чтобы плотность энергии в импульсе была достаточной для создания оптимального теплового воздействия на обрабатываемый участок образца, но не сопровождалась образованием плазмы у обрабатываемой поверхности.

В заключение нам остается рассмотреть устройство типового лазерного станка. Подробно рассмотрим такое устройство при использовании в качестве рабочего инструмента СО₂лазера. Применение твердотельного лазера заменяет в этом описании ту часть, где перечисляются компоненты СО₂лазера, заменяя их компонентами твердотельного лазера, описанными в разделе 3.