Лазеры. Лазерные технологии. Учебное пособие

приблизительно на пять порядков величины меньше соответствующей величины для He-Ne-лазера.

§ 3.5 Выходная мощность

Одной из важных характеристик лазерного излучения является выходная мощность лазера. Именно выходная мощностью и энергия лазерного излучения определяют возможность его применения в достаточно большом круге практических задач . [24]

В общем случае энергия и выходная мощность лазера пропорциональна объему активной среды и относительному превышению инверсии над своим пороговым значением. Она также зависит и от потерь внутри резонатора лазера и уменьшается при данной мощности накачки с увеличением потерь на пропускание зеркал [11 -13, 15] .

Таким образом, выражение выходной мощности лазера с объемом V активной среды, длиной резонатора L и коэффициентом пропускания зеркал R можно записать в виде [13]:

выходной мощности лазера, обусловлено оптимальным пропусканием зеркал

резонатора и большим коэффициентом усиления активной среды.

Мощность лазерного излучения Р связана с яркость его излучения выражением

[3]:

41

где В яркость лазерного излучения, λ - длина волны его излучения.

§3.6 Поляризация

Споявлением лазеров возник новый способ получения мощного,

направленного, поляризованного излучения [1] .

Излучение большинства лазеров является поляризованным. со степенью поляризации близкой к 1 [13] .

Естественный свет излучается огромным числом атомов, испускающих хаотически цуги волн различных поляризаций. Вследствие этого излучение обычных источников практически не поляризовано. Например, излучение накаленной вольфрамовой нити поляризовано примерно на 20 %. Для увеличения степени поляризации излучение пропускают излучения некогерентного источников через поляризаторы, это влечет значительные потери энергии.

Лазерное излучение обычно это линейное поляризованное излучение. Самый простой способ обеспечить такую поляризацию можно в твердотельных лазерах если торцы лазерного стрежня срезаны по угол Брюстера , в газывах лазерах этого достигается путем того, что выходные окна трубок с рабочим газом также срезаются по углом Брюстера

Для волоконных лазеров сравнительно простыми методами достигается эллиптически поляризованное излучение. Оно может быть преобразовано в линейно поляризованный луч, например с помощью соответствующей комбинации волновых пластинок..

Также можно достичь непосредственно из лазера излучения с круговой поляризацией. Преимущественно излучения с такой поляризаци осуществляется в твердотельных лазерах [5] .

Поляризованное излучение можно очень плавно менять по интенсивности с помощью поляризатора в широких пределах и модулировать не по интенсивности, а

по состоянию поляризации используя мощность лазера полностью, без потерь.

42

Важно это и при нелинейном преобразования частоты когда условие фазового синхронизма в нелинейном кристалле, может быть получена только для одного направления поляризации;

Поляризация лазерного пучка может существенно влиять на эффективность технологических процессов, в которых важную роль играет отражение излучения.

Например, при вырезании сложных фигур целесообразно, чтобы излучение имело круговую поляризацию, обеспечивающую одинаковую ширину и глубину реза в разных направлениях

Тем не менее, у некоторых лазеров (например, у многих волоконных)

выходной луч лазера не поляризован. Это не обязательно означает, что выходной луч полностью неполяризован, он содержит эквивалентные оптические мощности в обоих компонентах поляризации постоянно, без корреляции соответствующих амплитуд. Состояние поляризации может быть просто неустойчивым, например, из-

за температурного дрейфа или случайного переключения между различными направлениями.

Степень линейной поляризации часто характеризуют коэффициентом экстинкции, который определяется, как отношение оптических сил в двух направлениях поляризации, часто определяется в децибелах, и измеряется путем измерения мощности пучка света после прохождения поляризатора,

ориентированного на пропускание минимума и максимума энергии. Конечно,

экстинкция поляризатора, с помощью которого осуществляется измерение, должна быть выше, чем у лазерного луча (экстинкция - отношение максимума и минимума энергии поляризованного света, проходящего через поляризатор при различных направления плоскости поляризации).

43

Глава 4 Лазерные технологии.

§ 4.1 Лазерные технологии

Лазерные технологии, то есть обработка материалов с помощью излучения лазера, обеспечивает следующее [17 - 43] :

-возможность обработки тугоплавких и твердотельных материалов, поскольку при высокой плотности потока излучения, которая получается благодаря фокусировке лазерного луча, расплавляется или испаряется любой из известных материалов;

-локальность воздействия на материал благодаря малому диаметру зоны облучения и милой длительности импульса лазерного излучения, что позволяет обрабатывать миниатюрные детали с минимальным их деформированием и изменением структуры материал;

-бесконтактны ввод энергии в зону обработки, что дает возможность осущест-

вить ряд технологических операций в труднодоступных местах и в любой прозрач-

ной среде (вакууме, защитном газе, твердом теле).

В настоящее время лазерное излучение наиболее широко используется для получения отверстии, а также для резки и скрайбкрования, сварки и обработки тонких пленок. В состав технологической лазерной установки, предназначенной для выполнения этих операций, входят лазер импульсного или непрерывного действия и оптическая система, с помощью которой излучение формируется в пучок с заданными пространственными параметрами и направляется на обрабатываемую деталь. Часто и состав установки также входит устройство, с помощью которого в рабочую зону подается газ, интенсифицирующий процесс обработки.

§ 4.2 Лазерная технология получения отверстий

Лазерная технология получения отверстий основана на образовании лунки в результате испарения и плавления вещества в точке падения сфокусированного

44

излучения лазера. При этом лунка растет в глубину в основном за счет испарения, а

по диаметру - за счет плавления стенок и вытеснения жидкости избыточным давлением паров. В технологических установках для получения отверстий используют импульсные лазеры с энергией излучения в импульсе Е≈ 10 ...10 Дж при длительности импульса τимп ≈ 10-3...10-4 с. Величину Е можно подобрать так, что отверстие нужной глубины и диаметра будет получено за время действия одного импульса. Однако точность обработки одноимпульсным методом мала, так как мощность излучения лазера, длительность импульса, пространственная и временная структура луча изменяются от импульса к импульсу по случайному закону [17, 35] .

Для повышения точности необходимо обеспечивать определенную форму и структуру лазерного импульса, вести обработку в цилиндрической части лучистого потока лазера или производить калибровку отверстия другими технологическими методами, например химическим растравливанием. Наиболее перспективным методом повышения точности процесса лазерного сверления в настоящее время считают многоимпульсиый метод. При этом методе формирование отверстия производится не за один импульс, а в течение серии импульсов определенной мощности и длительности, последовательно доводящих отверстие до необходимых размеров.

Сверление отверстий с помощью лазерной установки возможно в любых материалах. Механические свойства материалов (твердость, прочность и т. д.) не оказывают существенного влияния на процесс сверления, но материалы с лучшей теплопроводностью и лучшей отражающей способностью требуют большей энергии, излучаемой лазером, и большего числа импульсов при многоимпульсном методе обработки.

§ 4.3 Лазерная резка

Лазерная резка, как и получение отверстий, основаны на тепловом действии сфокусированного излучения лазера [18, 21, 32].

45

В технологических установках для лазерной резки используются как импульсные лазеры (энергия в импульсе Е = 10-3... 10-4 Дж, длительность импульса

τимп ≈ 10-4....10-8 с, частота следования импульсов

F = 100...10 000 Гц), так и лазеры непрерывного действия (обычно на углекислом газе, с мощностью излучения Р = 100...1000 Вт).

При резке толстых листов в зону действий лазерного луча целесообразно подавать газ, тип которого зависит от вида обрабатываемого материала. Такая резка получила название газолазерной. Так, при резке металлов используется кислород, а

для неметаллов - инертный газ или воздух. Поддув газа дает возможность повысить скорость резки и получить точный и чистый разрез.

Скорость резки зависит от мощности лазера, толщины обрабатываемого металла и его свойств.

Существенное влияние на скорость резки оказывают параметры газовой струи,

в частности, давление газа, поступающего в зону резки. Лишь при достаточно высоком давлении струя и состоянии очищать рабочую зону от продуктов разрушения и процесс идет наиболее эффективно.

Воздействие лазерного излучения на металлы при резке характеризуется общими положениями, связанными с поглощением и отражением излучения,

распространением поглощенной энергии по объему материала за счет теплопроводности и других свойств, а также специфическими для процесса резки особенностями.

На участке воздействия излучения металл нагревается до первой температуры разрушения - плавления. При дальнейшем поглощении излучения металл расплавляется и от участка, воздействия излучения в объем материала начинает перемещаться фазовая граница плавления. Наряду с этим энергетическое воздействие лазерного излучения приводит к последующему повышению температуры, достигающей второй температуры разрушения - кипения, когда имеет место активное испарение. Скорость испарения экспоненциально зависит от температуры, и максимальное ее значение достигается при стационарной

46

температуре испарения, когда скорости фазовых границ плавления и испарения одинаковы.

В зависимости от плотности мощности лазерного излучения количество расплавленного металла, стационарная температура, скорость плавления и испарения будут различными. Указанные параметры характеризуют процесс разрушения, и, следовательно, изменяя плотность мощности и время воздействия лазерного излучения на металлы, можно управлять этим процессом.

Значительное влияние на интенсивность процессов нагрева - разрушения оказывает поглощательная способность металлов, зависящая от температуры поверхности, длины волны, поляризации и угла падения излучения на обрабатываемую поверхность. Поглощенная энергия лазерного излучения находится в зависимости от параметров парогазовой плазмы, возникающей как при непрерывном, так и при импульсном и импульсно-периодическом режимах лазерного излучения в процессе резки.

Таким образом, при воздействии лазерного излучения на металлы возможны два механизма резки - плавление и испарение. Поверхность разрушения, так называемый канал реза, существует по всей толщине в процессе резки и перемещается со средней скоростью в направлении резки. Практическое использование разрушения металлов посредством механизма испарения затруднено в связи с достаточно высокими удельными энергозатратами [30].

Заметное снижение энергозатрат достигается использованием вспомогательного газа для удаления продуктов разрушения металлов из канала реза.

Перемещение жидкой ванны расплава осуществляется в основном по толщине материала, т. е. вдоль канала реза с помощью динамического воздействия газа,

превышающего вязкокапиллярную силу.

При газолазерной резке металлов различают стационарный характер разрушения,

когда жидкая ванна расплава существует по всей длине канала реза, и

нестационарный, характеризуемый периодическим выносом расплавленного металла из зоны обработки.

47

Стационарный механизм разрушения достигается в том случае, когда скорости плавления металла в направлении реза и удаления расплавленного металла равны в каждом сечении канала. При скоростях газолазерной резки металлов меньше стационарных имеет место нестационарный, т. е, неустановившийся характер разрушения.

§ 4.4 Лазерная сварка

Лазерная сварка основана на тех же физических процессах, что лазерная резка и пробивание отверстий с помощью лазерного излучения. Она может быть как точечной, так и шовной. Точечная сварка производится на установках, в которых используются импульсные лазеры на рубине или иттрий-алюмвниевом гранате.

Глубина проплавления при этом может достигать 2...З мм. Наиболее целесообразно использовать точечную лазерную сварку для соединения деталей толщиной 10...50

мкм. Шовная лазерная сварка может осуществляться как при импульсном режиме работы лазера, так и при непрерывном. При импульсном режиме шов образуется путем наложения сварных точек с перекрытием [31, 39] .

Использование мощных импульсных лазеров позволяет осуществлять сварку металлов, характеризующихся высокой теплопроводностью, таких как серебро и медь. При надлежащем выборе значений энергии в импульсе и его длительности можно сваривать металлы с различными температурами плавления, например, медь н тантал, алюминий и вольфрам. Для лазерной сварки широко применяются установки СУ-1, УЛ-2, УЛ-20, «Искра-8» с импульсными лазерами. Специально для шовной сварки разработана лазерная установка «Квант-12», в которой используется импульсный лазер на иттрий-алюминиевом гранате с частотой следования импульсов до 20 Гц. Длительность импульса регулируется ступенчато и может составлять 1,5; 2; 2,5 и 4 мс. При глубине проплавления до 0,3 мм, ширине шва 0,5—1 мм и коэффициенте перекрытия отдельных сварных точек 0,7 установка обеспечивает? скорость шовной сварки до 200 мм/мин [81,

48

Для непрерывной шовной лазерной сварки разработаны установки с лазерами на углекислом газе. Из отечественных установок для этих целей можно использовать установку ЛУНД-100.

Наиболее эффективно применение лазерной сварки для приваривания выводных концов к полупроводниковым устройствам, тонкопленочным схемам, для сварки легкодеформируемых деталей и сварки в труднодоступных местах, в том числе внутри электровакуумных приборов.

§ 4.5 Лазерная обработка тонких пленок

Лазерная обработка тонких пленок основывается на нескольких физических процессах: испарении материала пленки под воздействием лазерного излучения;

изменении физико-химических свойств материала (электропроводности, твердости,

способности растворяться), что позволяет получить на пленке скрытое оптическое изображение, которое в дальнейшем проявляется каким-либо способом (например,

травлением); диффузии вещества пленки в подложку, в результате чего меняются физические свойства поверхностных слоев подложки; активировании под воздействием лазерного излучения химических реакций в пленке [30, 42]. .

В технологических установках, предназначенных для обработки тонких пленок, используются как твердотельные лазеры на рубине или иттрий-

алюминиевом гранате, так и газовые лазеры на углекислом газе или молекулярном азоте. Среди технологических операций, осуществляемых с помощью лазерного излучения и внедряемых в промышленность, наибольшее распространение получили подгонка пленочных резисторов, нанесение рисунков микросхем и изготовление фотошаблонов. Достоинствами лазерного метода подгонки пленочных резисторов являются высокая точность (до 0,05%) и возможность автоматизации процесса путем введения

49

§ 4.6 Лазерное упрочнение

Лазерное термоупрочнение сталей по аналогии с другими видами закалки заключается в формировании на этапе нагрева аустенитной структуры и ее последующем превращении в мартенсит на этапе охлаждения [22, 23, 26].

При лазерной закалке без оплавления решающей стадией является нагрев, так как при последующем высокоскоростном охлаждении фиксируются превращения при нагреве. При нагреве сплавов железа в точке Ас1 диаграммы состояния железо-

углерод начинается превращением перлита в аустенит. Причем при медленном нагреве это превращение происходит при постоянной температуре.

Высокоскоростной нагрев, характерный для процесса лазерной закалки,

изменяет кинетику образования аустенита. Подводимая тепловая энергия превосходит по величине энергию, необходимую для перестройки кристаллической решетки, а сама перестройка происходит с некоторой конечной скоростью.

Вследствие этого превращение осуществляется не изотермически, а в некотором

интервале температур от Ac1кон , то есть происходит смещение конца

аустенитного превращения в область высоких температур [39].

Вследствие высокой скорости нагрева диффузионные процессы перестройки решетки объемно-центрированного куба избыточного феррита в решетку гранецентрированного куба аустенита могут не заканчиваться на линии GS

диаграммы Fе - Fе3С, и происходит сдвиг точки Асm в область более высоких температур. Также происходит смещение точки Аст и обусловленное этим микроплавление границых цементита с аустенитом. В рассмотренных случаях процесс диффузионного перераспределения углерода в аустените, т. е.

гомогенизация аустенита, смещается в область еще более высоких температур [31].

В результате нагрева в процессе лазерной обработки формируется структура,

особенности которой обусловлены степенью завершенности процесса аустенитизации, определяемой скоростью и температурой нагрева, временем воздействия, исходной структурой. При достаточно высокой температуре нагрева

50