Лазерная технология наряду с информационными и нанотехнологиями уверенно выдвинулась в число наиболее перспективных высоких технологий — технологий 21 века [1] . На своем начальном этапе развития в 70-е‚ 80-е годы это направление науки и техники вполне обоснованно связывалось лишь с технологией сварки, резки и закалки металлов и сплавов. Лазерный отжиг полупроводников, получение новых сплавов, покрытий, аморфизация, напыление тонких пленок, модификация свойств поверхности, лазерно-плазменная технология, стереолитография, лазерная химия и т.д. еще двадцать лет назад были неизвестны. Сейчас каждый из этих процессов представляет собой самостоятельную, динамичную область исследовательской деятельности, перешагнувшей из стадии первоначальных лабораторных экспериментов в стадию новой, лазерной промышленной технологии.
Основные направления исследований связаны с разработкой и созданием мощных автоматизированных лазерных технологических комплексов — АЛТК — для решения широкого круга промышленных задач. Разрабатываются физические и технические принципы создания лазеров мощностью до 20 кВт, проводятся исследования взаимодействия излучения с различными материалами, создаются и обрабатываются технологические процессы изготовления деталей различной сложности.
С созданием мощных непрерывных и импульсно-периодических газовых и твердотельных лазеров возник целый ряд вопросов, связанных с более широким использованием этих лазеров в различных областях производства, включая и традиционные методы термического воздействия, направленные на изменение геометрии деталей (сварка, резка) и их физико-химического состояния (термоупрочнение, легирование и т.д.).
Высокая интенсивность лазерных источников способствует селективному развитию физико-химических процессов в поверхностном слое материалов.
Вместе с тем, физические процессы, происходящие при воздействии коротких и ультракоротких лазерных импульсов с металлами и полупроводниковыми материалами, определяющие возможности таких быстро развивающихся областей лазерной технологии, как лазерный отжиг полупроводников, лазерное легирование, геттерирование, напыление тонких эпитаксиальных пленок, а также достижения в области лазерной химии, пока недостаточно полно отражены в монографиях и учебных пособиях. В то же время, более двух третей лазеров, используемых в развитых странах для обработки материалов, в 2008 г. применялись в микроэлектронике, производстве печатных плат и электротехнике. Электронная промышленность остается наиболее крупным потребителем лазерных технологических установок до настоящего времени и оказывает стимулирующее действие на развитие и совершенствование производства лазерного технологического оборудования. Применение лазеров в электронике позволило довести уровень автоматизации процессов до 85 %‚ обеспечив выполнение практически всех основных и вспомогательных операций. Среди таких процессов следует выделить отжиг полупроводников после ионной имплантации, легирование, осаждение и травление тонких пленок, получение окисных изолирующих слоев, геттерирование и очистку полупроводниковых пластин, формирование токопроводящих слоев и омических контактов.
Поверхностная лазерная обработка
... и США одновременно создаются первые полупроводниковые лазеры. Принцип действия лазеров Чтобы понять принцип работы лазера, нужно более внимательно изучить процессы поглощения и излучения атомами квантов ... сути дела источники оптического шума, является высокая степень когерентности лазерного излучения. С созданием лазеров в оптическом диапазоне появились источники излучения, аналогичные привычным в ...
Кроме того, использование лазерного излучения позволяет модифицировать свойства полупроводниковых приборов, создавать структуры монокристалллического кремния на диэлектрических подложках, гибридные GaAs/Si микросхемы. Применение эксимерных лазеров в качестве источника ультрафиолетового излучения в фотолитографии при нанесении изображения на фоторезист через шаблон и при прямой записи обеспечивает разрешение 90 нм, что соответствует требованиям промышленного выпуска СБИС. Обеспечивая локальность и быстроту обработки, лазерная технология приводит к ускорению перечисленных технологических процессов, снижению количества критических операций и, в конечном итоге к повышению качества продукции по сравнению с традиционными способами.
Использование коротких и мощных импульсов лазерного излучения для модификации свойств металлических материалов чрезвычайно перспективно вследствие реализации аномально высоких скоростей нагрева и остывания поверхности материала, поглотившего излучение. Это определяет широкие возможности в создании новых, уникальных по физико-химическим свойствам, структурных и фазовых состоянии в металлах и сплавах, являющихся интересными объектами исследовании и практических применений. Этими вопросами занимается лазерно-плазменная технология и технология получения металлических стекол.
В новую современную область взаимодействия излучения с веществом вылилась лазерная химия. использующая уникальную возможность резонансного возбуждения атомов и молекул за счет высокой монохроматичности лазерного излучения. Здесь наибольший интерес представляют такие важнейшие процессы, как лазерное разделение изотопов, лазерный синтез материалов с заданными свойствами и получение особо чистых веществ.
Цель реферата — отразить высокоэффективные процессы в лазерной технологии металлических материалов.
Задачи реферата — изучить, проанализировать высокоэффективные процессы в лазерной технологии металлических материалов и сделать выводы.
Рассмотрен каждый процесс в лазерной технологии металлов и других отраслях. Сделано заключение с точки зрения трудоёмкости, эффективности и результативности.
1. Краткая история
Лазер (англ. laser, акроним от англ. light amplification by stimulated emission of radiation — усиление света посредством вынужденного излучения), оптический квантовый генератор — устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения [2] .
Металлические сварочные материалы
... и до настоящего времени не разработана. Вот основные виды плавящихся металлических сварочных материалов: Электродная проволока Штучные электроды для дуговой сварки Пластинчатые и пластино- ... проволоки Наплавочные порошковые ленты. Не менее велико и качественное разнообразие сварочных материалов различного назначения. Так, одной только стальной электродной проволоки, централизованно поставляемой ...
В1916г.А. Эйнштейн предсказывает существование явления вынужденного излучения — физической основы работы любого лазера.
1954 г.: первый микроволновой генератор — мазер на аммиаке (Ч. Таунс, Басов Н.Г. и Прохоров А.М. — Нобелевская премия по физике 1964 года).
Роль обратной связи играло бъёмный резонатор, размеры которого были порядка 12,6 мм (длина волны, излучаемой при переходе аммиака с возбуждённого колебательного уровня на основной).
Для усиления электромагнитного излучения оптического диапазона необходимо было создать объёмный резонатор, размеры которого были бы порядка микрона.
1960 год: 16 мая Т. Мейман продемонстрировал работу первого оптического квантового генератора — лазера. В качестве активной среды использовался кристалл искусственногорубина (оксид алюминия Al 2 O3 с небольшой примесью хрома Cr), а вместо объёмного резонатора служил резонатор Фабри-Перо, образованный серебряными зеркальными покрытиями, нанесенными на торцы кристалла. Этот лазер работал в импульсном режиме на длине волны в 694,3 нм. В декабре того же года был создан гелий-неоновый лазер, излучающий в непрерывном режиме (А. Джаван, У. Беннет, Д. Хэрриот).
Изначально лазер работал в инфракрасном диапазоне, затем был модифицирован для излучения видимого красного света.
2. Принцип действия лазера
Физической основой работы лазера служит квантово-механическое явление вынужденного (индуцированного) излучения [2] . Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»).
Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу.
Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома, в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённом состоянии. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых (так называемая инверсия населённостей).
В состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические, электрические, химические и др.).
Первоисточником генерации является процесс спонтанного излучения, поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два зеркала, одно из которых полупрозрачное — через него луч лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы (вращающиеся призмы, ячейки Керра и др.) для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности (так называемые гигантские импульсы).
Лазеры на нейтральных атомах
... Гелий-неоновые лазеры Не—Ne-лазер, вне сомнения, имеет наибольшее значение среди лазеров на инертных газах. Генерация осуществляется на переходах атома неона, а гелий ... лазеров. Лазеры различаются: способом создания в среде инверсной населенности, или, иначе говоря, способом накачки (оптическая накачка, возбуждение электронным ударом, химическая накачка и т. п.); рабочей средой ... излучения. При ...
Этот режим работы лазера называют режимом модулированной добротности.
Генерируемое лазером излучение является монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), поскольку вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом луч лазера имеет очень малый угол расходимости. Наконец, луч лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляризаторы, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера. лазер квантовый оптический
2.1 Устройство лазера
1 — активная среда; 2 — энергия накачки лазера; 3 — непрозрачное зеркало; 4 — полупрозрачное зеркало; 5 — лазерный луч.
Все лазеры состоят из трёх основных частей: активной (рабочей) среды;
- § системы накачки (источник энергии);
- § оптического резонатора (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя).
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/tehnologiya-lazernoy-rezki-poluprovodnikov/
Каждая из них обеспечивает для работы лазера выполнение своих определённых функций.
Активная среда
В качестве рабочей среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное, плазма. В обычном состоянии число атомов, находящихся на возбуждённых энергетических уровнях, определяется распределением Больцмана:
здесь N — число атомов, находящихся в возбуждённом состоянии с энергией E, N 0 — число атомов, находящихся в основном состоянии, k — постоянная Больцмана, T — температура среды. Иными словами, таких атомов, находящихся в возбужденном состоянии меньше, чем в основном, поэтому вероятность того, что фотон, распространяясь по среде, вызовет вынужденное излучение также мала по сравнению с вероятностью его поглощения. Поэтому электромагнитная волна, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов. Интенсивность излучения при этом падает по закону Бугера:
здесь I 0 — начальная интенсивность, Il — интенсивность излучения, прошедшего расстояние l в веществе, a1 — коэффициент поглощения вещества. Поскольку зависимость экспоненциальная, излучение очень быстро поглощается.В том случае, когда число возбуждённых атомов больше, чем невозбуждённых (то есть в состоянии инверсии населённостей), ситуация прямо противоположна. Акты вынужденного излучения преобладают над поглощением, и излучение усиливается по закону:
Полупроводниковый инжекционный лазер для применения в лазерной арфе
... -отражающие покрытия. Работа лазера базируется на выполнении трех необходимых и достаточных условий: резонатор накачка лазерный генерация 1.Наличие лазерной активной среды, то есть среды, обладающей способностью усиления оптического излучения при изменении ...
где a 2 — коэффициент квантового усиления. В реальных лазерах усиление происходит до тех пор, пока величина поступающей за счёт вынужденного излучения энергии не станет равной величине энергии, теряемой в резонаторе. Эти потери связаны с насыщением метастабильного уровня рабочего вещества, после чего энергия накачки идёт только на его разогрев, а также с наличием множества других факторов (рассеяние на неоднородностях среды, поглощение примесями, неидеальность отражающих зеркал, полезное и нежелательное излучение в окружающую среду и пр.).
Система накачки
Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные механизмы. В твердотельных лазерах она осуществляется за счёт облучения мощными газоразрядными лампами-вспышками, сфокусированным солнечным излучением (так называемая оптическая накачка) и излучением других лазеров (в частности, полупроводниковых).
При этом возможна работа только в импульсном режиме, поскольку требуются очень большие плотности энергии накачки, вызывающие при длительном воздействии сильный разогрев и разрушение стержня рабочего вещества. В газовых и жидкостных лазерах (см. гелий-неоновый лазер, лазер на красителях) используется накачка электрическим разрядом. Такие лазеры работают в непрерывном режиме. Накачка химических лазеров происходит посредством протекания в их активной среде химических реакций. При этом инверсия населённостей возникает либо непосредственно у продуктов реакции, либо у специально введённых примесей с подходящей структурой энергетических уровней. Накачка полупроводниковых лазеров происходит под действием сильного прямого тока через p-n переход, а также пучком электронов. Существуют и другие методы накачки (газодинамические, заключающиеся в резком охлаждении предварительно нагретых газов; фотодиссоциация, частный случай химической накачки и др.).
а — трёхуровневая и б — четырёхуровневая схемы накачки активной среды лазера.
Классическая трёхуровневая система накачки рабочей среды используется, например, в рубиновом лазере. Рубин представляет собой кристалл корунда Al 2 O3 , легированный небольшим количеством ионов хрома Cr3+ , которые и являются источником лазерного излучения. Из-за влияния электрического поля кристаллической решётки корунда внешний энергетический уровень хрома E2 расщеплён (см. эффект Штарка).
Именно это делает возможным использование немонохроматического излучения в качестве накачки. При этом атом переходит из основного состояния с энергией E0 в возбуждённое с энергией около E2 . В этом состоянии атом может находиться сравнительно недолго (порядка 10?8 с), почти сразу происходит безызлучательный переход на уровень E1 , на котором атом может находиться значительно дольше (до 10?3 с), это так называемый метастабильный уровень. Возникает возможность осуществления индуцированного излучения под воздействием других случайных фотонов. Как только атомов, находящихся в метастабильном состоянии становится больше, чем в основном, начинается процесс генерации.
Следует отметить, что создать инверсию населённостей атомов хрома Cr с помощью накачки непосредственно с уровня E 0 на уровень E1 нельзя. Это связано с тем, что если поглощение и вынужденное излучение происходят между двумя уровнями, то оба эти процесса протекают с одинаковой скоростью. Поэтому в данном случае накачка может лишь уравнять населённости двух уровней, чего недостаточно для возникновения генерации.
Лазеры и их применение (2)
... накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения. Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Луч лазера ... типы лазеров и лазерных устройств, предназначенных для решения конкретных научных и технических задач. Лазерной технике ...
В некоторых лазерах, например в неодимовом, генерация излучения в котором происходит на ионах неодима Nd 3+ , используется четырёхуровневая схема накачки. Здесь между метастабильным E2 и основным уровнем E0 имеется промежуточный — рабочий уровень E1 . Вынужденное излучение происходит при переходе атома между уровнями E2 и E1 . Преимущество этой схемы заключается в том, что в данном случае легко выполнить условие инверсной населенности, так как время жизни верхнего рабочего уровня (E2 ) на несколько порядков больше времени жизни нижнего уровня (E1 ).
Это значительно снижает требования к источнику накачки. Кроме того, подобная схема позволяет создавать мощные лазеры, работающие в непрерывном режиме, что очень важно для некоторых применений. Однако подобные лазеры обладают существенным недостатком в виде низкого квантового КПД, которое определяется как отношение энергии излученного фотона к энергии поглощенного фотона накачки (зквантовое = hнизлучения /hннакачки )
В ширину спектральной линии, изображённой на рисунке зелёным цветом, укладывается три собственных частоты резонатора. В этом случае генерируемое лазером излучение будет трехмодовым. Для фиолетовой линии излучение будет чисто монохроматическим.
Зеркала лазера не только обеспечивают существование положительной обратной связи, но и работают как резонатор, поддерживая одни генерируемые лазером моды, соответствующие стоячим волнам данного резонатора, и подавляя другие. Если на оптической длине L резонатора укладывается целое число полуволн n:
то такие волны, проходя по резонатору не меняют своей фазы и вследствие интерференции усиливают друг друга. Все остальные, близко расположенные волны, постепенно гасят друг друга. Таким образом спектр собственных частот оптического резонатора определяется соотношением:
здесь c — скорость света в вакууме. Интервалы между соседними частотами резонатора одинаковы и равны:
Линии в спектре излучения в силу различных причин (доплеровское уширение, внешние электрические и магнитное поля, квантово-механическое эффекты и др.) всегда имеют определённую ширину . Поэтому могут возникать ситуации, когда на ширину спектральной линии укладывается несколько собственных частот резонатора. В этом случае излучение лазера будет многомодовым. Синхронизация этих мод позволяет добиться того, чтобы излучение представляло собой последовательность коротких и мощных импульсов. Если же , то в излучении лазера будет присутствовать только одна частота, в данном случае резонансные свойства системы зеркал слабо выражены на фоне резонансных свойств спектральной линии.
При более строгом расчёте необходимо учитывать, что усиливаются волны, распространяющиеся не только параллельно оптической оси резонатора, но и под малым углом к ней. Условие усиления тогда принимает вид:
Это приводит к тому, что интенсивность пучка лучей лазера различна в разных точках плоскости, перпендикулярной этому пучку. Здесь наблюдается система светлых пятен, разделённых тёмными узловыми линиями. Для устранения этих нежелательных эффектов используют различные диафрагмы, рассеивающие нити, а также применяют различные схемы оптических резонаторов.
Лазерная обработка материалов
... установок для обработки материалов до медицинской аппаратуры, измерительных приборов и телекоммуникационного оборудования [1]. 1.2 Сущность, принцип действия лазера Лазер – источник электромагнитного излучения, основанный на вынужденном излучении атомов и молекул. Лазерный луч ...
3. Область применения лазерных технологий в металлах
В большинстве технологических процессов обработки материалов [1] (исключая лазерную химию) интенсивность облучения и ее пространственно-временные характеристики играют определяющую роль, в то время как такие фундаментальные свойства лазерного излучения, как когерентность и монохроматичность не проявляют себя. Воздействие лазерного излучения сопровождается процессами тепло- и массопереноса, развитие которых зависит от энергетических и пространственно-временных характеристик излучения. В процессах лазерной технологии длина волны излучения играет существенную роль. Дело не только в дисперсии поглощения окружающей атмосферы, но и в дисперсии поглощающей способности обрабатываемых тел. Кроме того, пороги пробоя атмосферы вблизи поверхности тел могут различаться на два порядка для излучения с длиной волны 0,69, 1,06 мкм и для излучения СО2 -лазеров (10,6 мкм).
Зависит от длины волны излучения и глубина проникновения лазерного излучения в объем конденсированной среды, что существенно, например, при обработке пленок. При воздействии сфокусированного мощного лазерного излучения на поверхность твердого тела вещество нагревается, плавится, частично испаряется и ионизируется. В неоднородно-нагретом веществе возникает сложное течение жидкости, паров, плазмы и окружающего газа. Перемещение вещества оказывает, в свою очередь, существенное влияние на распространение лазерного излучения, приводя к изменению фокусировки и условий поглощения и отражения излучения. Возникает сложное многофазное гидро- и газодинамическое течение, согласованное с распространением лазерного излучения в сильно поглощающей и преломляющей оптически нелинейной среде. Соответствующий выбор длины волны излучения, интенсивности, времени воздействия, вида и давления окружающей атмосферы позволяет осуществлять различные технологические процессы, ряд которых принципиально невозможен без применения лазера.
В лазерной технологии металлических материалов также можно выделить ряд высокоэффективных процессов.
Упрочнение
Структура упрочненного слоя, возникающая в результате действия лазерного излучения, характеризуется высокой дисперсностью, аномально большой твердостью, пониженной химической активностью, что оказывает существенное влияние на эксплуатационные характеристики упрочненных материалов — износостойкость, фрикционные свойства, механические характеристики, теплостойкость, величину и характер распределения остаточных напряжений.
Сварка
Использование установок относительно невысокой мощности дает возможность осуществлять высококачественную скоростную точечную сварку, дающую существенные экономические преимущества. С помощью лазеров можно осуществлять шовную сварку разнообразных материалов — ковара, стали, алюминия и титана — с принципиально различными теплофизическими свойствами. В зависимости от материала варьируется энергия в импульсе.
Пайка
Лазерная пайка обеспечивает такое преимущество, как легкий контроль времени нагрева материала и дозировки энергии лазерного излучения. Лазерным методом можно выполнять локальную пайку, передавая излучение через оптическое волокно. Для одновременной пайки на нескольких участках лазерный луч может быть расщеплен с помощью зеркала и может менять свое направление с помощью оптического переключателя. Автоматизация процесса пайки осуществляется за счет введения таймера для контроля времени пайки, газового лазера и робота, перемещающего оптическое волокно в прямоугольных координатах.
Лазерная обработка металлов
... И ВРЕДНЫХ ФАКТОРОВ 1 Теория лазерной обработки Лазер - источник электромагнитного излучения, видимого инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, основанный на вынужденном излучении атомов и молекул. Слово «лазер» составлено из начальных букв слов ...
Легирование., Оплавление поверхностного слоя
Нанесение на поверхность детали тонкого слоя отличающегося по свойствам металла (или материала) и последующее воздействие на него лазерным импульсом (плакирование) позволяет создать на поверхности защитное покрытие. Возможно просто оплавление тонкого слоя для устранения ряда дефектов поверхностной обработки.
Получение металлических стекол
Высокая скорость охлаждения () расплава на поверхности может привести к аморфизации поверхности металла и образованию металлического стекла. Металлические стекла относятся к структурно-чувствительным веществам, их свойства сильно отличаются от свойств кристаллических материалов того же состава. Из-за отсутствия границ зерен у металлических стекол существенно выше коррозионная стойкость и сопротивление износу. Их магнитная проницаемость выше, чем у кристаллических материалов, что важно для применения в ряде приборов. Практически наиболее доступно получение металлических стекол сплавов, таких, как железо с бором, никель с ниобием, титановые сплавы и др.
Получение отверстий
Применение импульсных твердотельных лазеров позволило на новом уровне решить проблему формирования (сверления) отверстий малого диаметра в таких труднообрабатываемых материалах, как рубин, корунд, алмаз, твердые керамические сплавы и т.д. Присущие лазерному сверлению недостатки, связанные с относительно невысоким классом точности поверхности отверстий, в последнее время активно преодолеваются за счет выбора одномодовых режимов генерации лазера, оптимизации оптических схем фокусировки лазерного луча и использования легко испаряемых подложек.
Лазерная обработка пленок
Для снижения термического искажения рисунка подложки при обработке пленок обычно используют короткие (~ 10 нс) лазерные импульсы. Обработка пленок лазерным излучением находит применение в электронном и оптическом приборостроении для получения рисунков тонкопленочных микросхем и фотошаблонов, оптических шкал, сеток, для записи информации и т.д.
Термохимическая обработка
Под такой обработкой понимают совокупность разнообразных процессов (разложение, окисление, восстановление, синтез), протекающих на поверхности вещества при обработке в газовой среде. В этом случае лазерное излучение используется как интенсивный источник локального нагрева, который инициирует соответствующую термохимическую реакцию в зоне его воздействия. Практическая значимость термохимической обработки связана с возможностями применения этих процессов в микроэлектронике, радиоэлектронике и ряде других областей.
Лазерно-плазменная обработка
При плотности потока лазерного излучения, превышающего критическое значение, над поверхностью материала образуется эрозионный плазменный факел. Критическое значение, а также глубина испаренного слоя определяются не только длительностью воздействия и свойствами материала, но и составом и давлением атмосферы, окружающей обрабатываемое изделие. Совокупность процессов, протекающих в этих условиях, называется лазерно-плазменной обработкой, если над поверхностью происходит оптический пробой газа и развивается плазменный сгусток, содержащий ионы как обрабатываемого материала, так и окружающего газа. Совместное воздействие лазерного излучения и плазменного сгустка приводит к направленному изменению поверхностных свойств вещества мишени, обусловленному как химическими реакциями на поверхности, так и проникновением газа в поверхностный слой расплава. Подбор вещества мишени, состава и давления газа позволяет синтезировать такие соединения, как нитриды металлов (в атмосфере азота), карбида (в атмосфере углекислого газа или метана), восстанавливать металлы, разлагать вещества в атмосфере нейтральных газов и создавать в локальной зоне слои вещества определенного состава.
Лазерная литография
... роли - принципиально новым средством ее передачи и обработки”. Широкое применение лазеров в современной науке и технике объясняется специфическими свойствами лазерного излучения. Лазер - это генератор когерентного света. В отличие ... генераторов; при этом он предложил использовать в качестве резонатора специально обработанные поверхности самого образца. В том же 1957 г. В.А. Фабрикант и Ф.А. ...
Лазерная резка, Газолазерная резка
4. Конкретные примеры устройств в металлах
В лазерной технологии металлов и полупроводниковых материалов в настоящее время используются [1] в основном твердотельные, волоконные, газовые СО2 и эксимерные лазеры. При этом независимо от типа лазера, режима работы (непрерывного, импульсного и импульсно-периодического) и назначения лазерные технологические установки (ЛТУ) состоят из ряда аналогичных функциональных узлов и имеют общую структурную схему, образец которой представлен на рис. Лазерное излучение 2 от излучателя 1 формируется оптической системой 7 через устройство дозирования энергии 5 в световой пучок с определенными пространственными и временными характеристиками и направляется на обрабатываемый объект 8. При помощи оптической системы 7 могут осуществляться визуальный контроль положения обрабатываемого объекта, наблюдение за ходом обработки и оценка его результата.
Устройство 9 обеспечивает фиксацию обрабатываемого объекта на двухкоординатном столе, управляемом программирующим устройством (микроЭВМ) 10. С управляющим процессором связаны также система контроля за лазерным излучением 6 и система датчиков контроля пара, метров технологического процесса 11, на основании информации из которых поступают команды управления источником питания излучателя 3 и дозирующей системы 5. В ряде технологических операций, таких, как газолазерная резка, лазерно-искровая обработка отверстий и другие, технологическая установка может быть дополнена устройством подачи в рабочую зону технологической среды 13 и источниками дополнительной энергии 12 (механической, электромагнитной и др.).
Датчики параметров технологического процесса 11 могут контролировать температуру зоны обработки, состояние поверхности, яркость свечения плазменного факела и давать сигналы управляющему устройству для изменения параметров излучения или прекращения операции.
Основным элементом любой лазерной технологической установки является лазерный излучатель. В последнее время достигнуты значительные успехи в создании технологических лазеров, позволяющие на серийных промышленных установках получать параметры излучения, еще недавно считавшиеся уникальными для лабораторных экземпляров. Так, для СО 2 технологических лазеров достижимы мощности ~ 10 кВт в непрерывном режиме, ~ 2 кВт средней мощности в импульсно-периодическом режиме с частотой повторения ~ 100 кГц и энергией в импульсе ~ 10 Дж.
В области твердотельных лазеров на алюмо-иттриевом гранате созданы установки, дающие до 2 кВт в непрерывном и импульсно- периодическом режимах с уникальными параметрами импульсов до 10 9 Вт и большими частотами повторения до 1000 кГц. Волоконные лазеры достигли уникальных средних мощностей в 10 кВт непрерывного режима, обеспечивая при этом высокое качество излучения, дающее глубину резкости 400 мкм. Эксимерные лазеры, работающие в ультрафиолетовой области, позволяют получать уникальные параметры однородности излучения по площади поверхности и минимальные (~ 1 мкм) размеры пятна фокусировки, что особенно важно в технологии микроэлектроники. От темпов внедрения в производство лазерной технологии в настоящее время в значительной степени зависит научно-технический прогресс как в электронной промышленности, так и в машиностроении. Две трети лазеров, используемых для обработки материалов в развитых капиталистических странах, применяются в производстве электронных компонентов к ЭВМ.
К технологическому оснащению лазерных комплексов для резки [3] следует отнести: системы передачи лазерного излучения в зону обработки; устройства установки и закрепления обрабатываемого материала; вентиляционные системы удаления продуктов лазерной обработки. Завершающим этапом преобразования лазерного пучка с помощью оптических или оптико-механических систем является фокусировка. Простейшее устройство для фокусировки показано на рис. а. Для подачи газа в зону обработки между линзой и обрабатываемым материалом расположено сопло в виде усеченного конуса. Газ, выходящий под давлением из сопла согласно лазерному пучку, кроме технологических функций выполняет функцию защиты линзы от продуктов лазерной обработки.
Поверхность линзы фокусирующего устройства, обращенную к обрабатываемому материалу, защищают также с помощью прозрачных неподвижных и вращающихся экранов, вращающихся металлических дисков с окнами на пути прохождения лазерного пучка, экранирующих диафрагм, магнитных и электроразрядных устройств.
Для фокусировки излучения мощных (свыше 3 кВт) технологических лазеров в целях сохранения высокого ресурса службы фокусирующих элементов целесообразен переход на металлооптику. Примером лазерной резки с применением металлических зеркал, фокусирующих излучение, выходящее из неустойчивого резонатора, может служить конструкция, показанная на рис. б. Кольцевой пучок лазерного излучения входит в устройство через плоское, прозрачное для данной волны излучения окно 7. С помощью зеркальных поверхностей 3 пучок отклоняется в сторону разрезаемого материала и, проходя через сопло б, фокусируется на обрабатываемом изделии.
Газ под давлением подается через отверстия 8 во внутреннюю часть устройства, одновременно охлаждая зеркальные поверхности.
Устройство может иметь также оптическую систему для визуального контроля положения обрабатываемой детали относительно сфокусированного лазерного пучка. Подвижные фокусирующие устройства снабжаются автоматическими следящими системами взаимного положения объектива и обрабатываемой детали. Как уже отмечалось выше, для контроля этого положения применяются контактные, индуктивные и емкостные датчики.
Подвижные фокусирующие устройства устанавливаются на каретках, которые перемещаются по линейным или круговым направляющим в соответствии с заданным законом движения.
Рабочая поверхность стола 3 (рис.) лазерной установки и поверхность обрабатываемого материала 2, обращенная к столу, не должны подвергаться воздействию лазерного излучения. Поэтому рабочая поверхность стола выполняется в виде точечных или линейных элементов‚ соединенных между собой в опорные блоки. Точечными опорными элементами могут быть стержни 1 (рис.) и шарики 5 (рис.), линейными — наборы отдельных пластин 4 (рис.) или сотовые панели 6 (рис.).
Для рассеяния лазерного пучка поверхности опорных элементов стола, обращенные к обрабатываемому материалу, изготавливаются коническим и сферическими, пирамидальными или призматическими. При обработке материалов с малой жесткостью в качестве опорной поверхности стола могут быть использованы перфорированные плиты. Обычно опорные элементы неподвижны относительно стола. Когда листовой материал во время обработки перемещается относительно стола, на поверхности последнего располагаются в гнездах вращающиеся шарики (рис.).
Разрезаемый лист, закрепленный в захватах дополнительного механизма лазерной технологической установки, катится на, опорных шариках‚ не контактируя непосредственно с неподвижным столом. Неподвижные опорные элементы стола изготавливаются из материала с высокой теплопроводностью (алюминий, латунь, медь).
Стол лазерной технологической установки выполняется как неподвижным, так и с возможностью возвратно-поступательного, вращательного и других движений. На рабочей поверхности неподвижного стола обрабатываемый материал чаще всего не закрепляется. При необходимости фиксации обрабатываемого материала применяются специальные приспособления.
Продукты лазерной обработки (газ, частицы материала) удаляются из рабочей зоны вентиляционной системой. При этом может быть осуществлен отсос продуктов обработки как со всего рабочего поля стола установки, так и местный — из зоны воздействия лазерного излучения. Разряжение под рабочим столом, образующееся в результате работы вентиляционной системы‚ используется и для закрепления обрабатываемого материала к поверхности стола.
5. Полезный эффект
Лазерные технологии применяются [2] не только в металлах, но а также других областях и приносят много пользы.
в космических исследованиях
Использование лазерных систем связи в космосе позволяет передать значительно большие объемы информации за единицу времени, чем в радиочастотном диапазоне;
- § преодолеть ограниченность радиочастотного спектра, выделенного для радиосвязи;
- § повысить направленность излучения, что может обеспечить высокую скрытность и помехозащищенность линий связи благодаря малой расходимости луча.
в системах передачи энергии
§ преобразование солнечной энергии в электрическую (с помощью солнечных батарей или турбогенераторов) и использование электроэнергии для накачки электроразрядных лазеров
§ использование солнечной энергии непосредственно для оптической накачки лазеров
§ использование лазеров с накачкой ядерной энергией
в медицине
§ Косметическая хирургия
§ Коррекция зрения
§ Хирургия (Гинекология, урология, лапароскопия)
§ Стоматология
§ Диагностика заболеваний
§ Удаление опухолей, особенно мозга и спинного мозга
в вооружении
§ Целеуказатели
§ Лазерный прицел
§ Системы обнаружения снайперов
§ Постановка помех снайперам
§ Введение противника в заблуждение
§ Дальномеры
§ Лазерное наведение
§ Лазерное стрелковое оружие (потенциально)
§
в связи и информационных технологиях
§ Хранение информации на
§ Оптическая связь
§ Оптические компьютеры
§ Голография, Лазерные дисплеи
§ Лазерные принтеры, Цифровые минилабы
§ Считыватели штрих-кодов
в культуре
§ Лазерное шоу
§ Мультимедиийные демонстрации и презентации;
§ В световом дизайне
§ Лазерные субтитры на киноэкранах
§ ЭМИ «лазерная арфа»
в быту
§ Лазерные указки
§ Лазерный дальномер
§ Системы слежения
§ Лидары
§ Системы навигации (напр. Лазерный гироскоп)
§ Проецирование изображений на сетчатку
Лазерный термоядерный синтез
Уникальной особенностью лазера [4] является возможность концентрации энергии излучения до значений, сравнимых с энергией ядерного взрыва. Поэтому сразу же после создания первых мощных импульсных лазеров Н. Г. Басов и О. И. Крохин предложили идею лазерного термоядерного, синтеза (ЛТС).
Для ее реализации необходимы импульсные лазеры, способные излучать за короткое время ~10-9 … 10-11 с до 10 кДж энергии.
Для промышленного использования ЛТС требуется создание термоядерных реакторов с энергией лазерного импульса в 3…5 МДж и частотой их повторения от 1 до 10 Гц.
Корпус реактора представляет собой вакуумную камеру диаметром до 2 м с двойными стенками‚ между которыми прокачивается жидкий литий, который и поглощает выделяющуюся энергию синтеза. Нагретый литий поступает в теплообменник, где передает запас тепловой энергии воде, превращая ее в пар, приводящий в движение турбину.
Тритий, возникающий в литии под действием нейтронов отделяется в специальном разделительном устройстве и поступает в топливный резервуар 8. Таблетки ядерного горючего в виде сферических ледяных шариков из смеси дейтерия и трития инжектируются в камеру реактора из холодильного устройства c частотой 1 Гц. Лазерные лучи с оконечных каскадов‚ усилителей симметрично фокусируются в центре вакуумной камеры. При одном импульсе выделяется энергия около 35-200 Мдж. Имеются предложения использовать «зажигание» твердого термоядерного горючего лазерным лучом для создания двигателей космических аппаратов. Реактивная сила возникает в них при истечении продуктов, образующихся при последовательных небольших термоядерных взрывах.
Заключение
Приведённый выше перечень областей применения лазера является далеко не полным. Здесь не рассматриваются некоторые специальные области применения этого инструмента. Одной из таких областей является голография — объёмная фотография. Использование лазера при фотографировании позволяет получить на фотопластинке или фотобумаге закодированное в виде интерференционной картины трёхмерное изображение объекта, которое проявляется (восстанавливается) при освещении фотопластинки лучом лазера той же частоты, что использовалась при съёмке. Голография находит широкое применение в различных отраслях науки, техники, метрологии и т.п.
Высокая энергия лазерного излучения позволяет использовать его при термоядерном синтезе. Как известно, такой синтез протекает только при очень высоких температурах порядка 10000 и более градусов. Получить такую температуру при помощи традиционных средств затруднительно. Лазер, а ещё лучше комбинация нескольких лазеров, позволяет достигнуть подобных температур в течение долей секунды.
Использование лазеров в химии позволило осуществить те реакции, которые было невозможно провести ранее. Лазерное излучение обладает строго определённой длинной волны, а, следовательно, и энергией. Подбирая частоту лазерного луча, можно активизировать только те химические связи, энергия разрыва которых совпадает с энергией излучения лазера. Это позволяет ускорять одни химические реакции и подавлять другие, то есть проводить селективный синтез.
Многообразны области применения лазеров в военном деле. На их основе создаются различные системы распознавания объектов по принципу «свой — чужой», системы самонаведения ракет и бомб. Существуют планы создания космического лазерного оружия.
Постоянное совершенствование конструкции современных лазеров приводит к неуклонному расширению областей их применения. Очевидно в ближайшее время этот процесс будет продолжаться ещё более быстрыми темпами.
Библиографический список
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/tehnologiya-lazernoy-rezki-poluprovodnikov/
1. Менушенков А.П.‚ Неволив В.Н.‚ Петровский В.Н. Физические основы лазерной технологии. Учебное пособие. — М.: НИЯУ МИФИ, 2010. — 212с. (7-9 ; 11,12,17-19;79-81 с.)
2. Интернет ресурс — Википедия — Свободная энциклопедия http://ru.wikipedia.org/wiki/Лазер
3. А.Г. Григорьянц, А.А. Соколов; Под ред. А. Г. Григорьянца. Лазерная резка металлов — М.: Высш. шк., 1988. -127с.: ил. (110-113 с.)
4. Лазеры: Устройство и действие: Учеб. пособсе/А. С. Борейшо: Ми; Мех. ин-т. СПб, 1992. 215 с. (202-207 с.)
