книги из ГПНТБ / Применения лазеров

значений 10~5—-ІО-6 с. Даже если только 1 % падающей мощ­ ности поглощается материалом, этого достаточно, чтобы при потоках, равных или больших ІО6 Вт/см2, достигалась температура плавления металлов за время менее 0,1 с.

Лучшее приближение к реальным условиям можно получить, если принять во внимание конечный размер области нагрева на границе полупространства. Для кру­ гового источника радиусом а Карслоу и Эйгер [17] приводят решение для точек на оси г, перпендикулярной к плоскости источника и проходящей через центр окружности,

Второй член в этом выражении стремится к нулю при уве­

личении аргумента а / 2 У kиt в пределе выражение (20) совпадает с выражением (18). Оценки показывают, что второй член в формуле (20) дает поправку около 10% для

точным решением (20). Простые оценки температуры по формуле (18) могут проводиться при нагреве непрерывным источником с большим диаметром фокального пятна.

5. 4. Стационарный режим лазерного сверления

Образование глубоких отверстий в материале при дей­ ствии непрерывного источника (лазера или электронного луча) было изучено Клеменсом [43]. Если относительная глубина отверстия велика, отвод тепла определяется в основном его глубиной. Для цилиндрического отверстия

длиной D, внутренним диаметром I и внутренней темпера­ турой Тм температура Т0 на внешней поверхности цилин­ дра диаметром L будет связана с мощностью источника WI соотношением

где К — теплопроводность. В стационарном режиме мож­ но воспользоваться допущением D « L/2 и принять [43], что

Это приближение может быть оправдано тем, что в выра­ жении (21) зависимость от I логарифмическая. Из этого следует, что глубина отверстия при больших отношениях глубины к диаметру почти не зависит от диаметра

Расчетная глубина отверстия при воздействии лазерного луча мощностью в 1 кВт на медь {Тм— 1356 К, К =

==4,0 Вт/см-К) равна 0,151 см.

Втабл. 6 приведены расчетные значения глубины от­

верстий для ряда материалов при температуре окружающей среды 300 К. Из таблицы видно, что при мощности 1 кВт

Т абл и ц а 6

ГРасчетная глубина отверстий в некоторых материалах при заданной интенсивности потока (в предположении большого

отношения глубины к диаметру отверстия)

можно сверлить отверстия глубиной около 1 мм в мате­ риалах с высокой теплопроводностью (Ag, Cu) и глубиной до 16 см в горных породах. Следовательно, для проплав­ ления металлов на глубину нескольких сантиметров необходимы мощности по меньшей мере ІО4 Вт, в то время как в материалах с низкой теплопроводностью отверстия глубиной около 10 см могут быть получены при Wj

>103 Вт.

Следует отметить, что в приведенном приближенном

расчете учитывались потери только на теплопроводность, однако заметная доля энергии может уноситься при испа­ рении материала из отверстия. Эти потери пропорциональ­ ны квадрату диаметра и незначительны только для узких глубоких отверстий. Если мощность луча меньше мощнос­ ти потерь на испарение, то нельзя просверлить глубокое отверстие. В этом случае луч постепенно углубляется в материал, образуя относительно широкую лунку. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока D сравнимо с I, и глубина лунки в этом случае будет определяться скоростью.испарения материала.

При движении луча по поверхности материала со ско­ ростью V (см/с) глубина прорезания уменьшается. Это свя­ зано с тем, что затрачивается дополнительная энергия на расплавление материала в направлении движения луча, и меньшая доля энергии при соответственно меньшей глу­ бине D может быть израсходована на теплопередачу. По

Для металлов обычно К & 1 см2/с и при I та 0,2 см критичес­ кая скорость ѵсж 10 см/с. Для материалов с низкой тепло­ проводностью (например, бетон) К та 0,05 смѴс и ѵс я#

0,05 см/с,

5. 5. Скорость лазерного сверления

При очень высоких плотностях потока (более ІО7 Вт/ем2) потерями энергии, обусловленными теплопроводностью, можно пренебречь. Падающее на поверхность излучение

Лазерное излучение оказалось весьма удобным инстру­ ментом для ряда технологических процессов (сварка мик­ росхем, сверление алмазных фильер, скрайбирование полупроводниковых пластин) [31]. Доступность и экономи­ ческая эффективность надежного лазерного технологичес­ кого оборудования явились одним из важнейших факторов для широкого практического применения лазерной тех­ ники в промышленности. Можно утверждать, что в бли­ жайшие годы появятся еще более производительные, мощные и надежные установки. Импульсные лазеры уже на совре­ менном уровне превзошли по импульсной мощности и яр­ кости все другие источники энергии и можно ожидать даль­ нейшего улучшения их характеристик. Однако средняя мощность лазеров пока недостаточна. Большая часть про­ блем, возникающих при увеличении средней мощности, связана с выходом из строя отдельных элементов при боль­ ших тепловых нагрузках или с распылением электродов в лампах накачки, а также с техническими трудностями кон­

менение в процессах средней и большой энергоемкости. С02-лазеры, по-видимому, в ближайшее время займут особое положение, как только их мощность превысит 10 кВт. Устройства на мощных С02-лазерах вытеснят тра­ диционное оборудование для резания, раскалывания, свер­ ления, нагрева и сварки в тяжелой индустрии. Электронно­ лучевые сварочные машины будут использоваться для вакуумной сварки металлов и С02-лазеры не будут конку­ рентоспособны в этой области. Можно ожидать появления электронно-лучевого оборудования и технологических ус­ тановок на С02-лазерах, которые позволят производить размерную обработку и сварку практически любых мате­ риалов. Источники концентрированной энергии сейчас находятся в стадии бурного развития и обновления, поэто­ му вполне обоснованно можно утверждать, что в ближай­ шие годы для них будут открыты новые области применения.

p. 1704.

10.Bridges W. B.— “ Appl. Phys. L ett.” , 1964, v. 4, p. 128.

15.Carslaw H. S., Jaeger J. C. Conduction of Heat in Solids, Ch. 2, London and New York, Oxford Univ. Press (Clarendon), 1959.

16.Carslaw H. S., Jaeger J. C. Conduction of Heat in Solids, Appen­ dix II, London and New York, Oxford Univ. Press (Clarendon), 1959.

17.Carslaw H. S., Jaeger J. C. Conduction of Heat in Solids, Ch. 10,

ной связи, анализируются типы лазерных линий, описы­ ваются некоторые наиболее интересные конструктивные решения и отмечаются тенденции в развитии этого обшир­ ного раздела прикладной квантовой электроники.

2. ОСНОВНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ЛАЗЕРНОЙ СВЯЗИ

Преимущество лазерных средств связи перед другими, например СВЧ-линиями, состоит, во-первых, в острой на­ правленности излучения, достигаемой с помощью сравни­ тельно небольших «антенн», и, во-вторых, в широкополос­ ное™, которую можно в них обеспечить и использовать с высокой эффективностью.

Важность фактора направленности излучения нетруд­ но показать, оценив минимальную расходимость электро­ магнитной волны Ѳ, определяемую дифракционными огра­ ничениями: Ѳ = 1,22 n D (К — длина волны, D — пере­ дающая апертура). Поскольку в оптическом диапазоне длины волн на три-четыре порядка выше, чем в СВЧ-диа-

излучения мощность, необходимая для передачи одинаковых объемов информации, в оптическом диапазоне оказывается намного меньшей, чем в СВЧ-диапазоне. Количественно это снижение требуемой мощности за счет уменьшения расхо­ димости луча определяется коэффициентом Къ по формуле

где индексы L и М относятся к излучению оптического и СВЧ-диапазонов соответственно.

В технике СВЧ введено понятие «усиление антенны», характеризуемое величиной (XID)2. Применив это понятие для оптического диапазона, находим, что для лазерного излучения (X » 0,7 мкм) при апертуре передатчика 10 см можно получить усиление антенны 109 дб. В СВЧ-диапа­ зоне (X ж 3 см) для обеспечения такого усиления потребо­ валась бы антенна диаметром около 10 км.