Нагрев лазером

Лазер широко используют в электронной промышлен­ности для напыления тонких пленок, подгонки резисторов гибрид­ных интегральных схем, герметизации корпусов интегральных схем, сварки деталей и др.

Лазер представляет собой мощный источник когерентного на­правленного светового потока.

Работа лазера основана на дискретном изменении энергии элек­тронов, ионов, атомов или молекул вещества, вызванном внешним источником возбуждения (накачкой). Возбужденные частицы вещества излучают на длине волны, характерной для данного веще­ства. Высокая монохроматичность, когерентность лазерного излу­чения позволяют фокусировать луч в пятно диаметром до несколь­ких микрометров. В зоне действия луча сосредотачивается поток колоссальной плотности — до 10¹⁶—10²⁴ Вт/м². При плотности потока 10¹⁰—10¹² Вт/м² плавится и испаряется любой тугоплавкий и сверхтвердый материал.

Обработку лучом лазера можно вести в любой прозрачной сре­де — твердой, жидкой, газообразной, в вакууме.

Достоинства лазерной обработки — отсутствие механического воздействия на изделие, высокая точность, быстрота настройки, ограниченность зоны термического воздействия, вызывающего структурные изменения обрабатываемого материала. Любой лазер имеет активную среду, помещенную в резонатор, и генератор на­качки, возбуждающий атомы в среде. Оптический резонатор по торцам излучателя представляет собой систему двух плоских стро­го параллельных зеркал. Зеркало, через которое «выводится» из­лучение, делают полупрозрачным. При накачке в активной среде между зеркалами возникает состояние, когда количество атомов на верхнем энергетическом уровне превышает количество их на нижнем энергетическом уровне. Лавинный процесс излучения на­чинается в тот момент, когда хотя бы один возбужденный атом спонтанно излучает фотон в направлении, параллельном оптиче­ской оси. Этот фотон «вынуждает» другой возбужденный атом также испустить фотон и т. д.

Многократно отражаясь от зеркал резонатора, фотоны распро­страняются через активную среду и интенсифицируют развитие процесса. Геометрические размеры резонатора таковы, что свето­вая волна, дважды отразившись от зеркал, сдвигается по фазе на величину, кратную целому периоду. Таким образом обеспечивает­ся положительная обратная связь.

Если населенность верхнего уровня активной среды превышает некоторую пороговую величину, зависящую от коэффициента отражения полупрозрачного зеркала, то процесс интенсивно нарастает. Световые волны, параллельные оси резо­натора, усиливаются ивыводятся через полупрозрачное зеркало в виде узкого пучка когерентного света. Чтобы направленность излучения была высокой, необходима строгая параллельность зер­кал резонатора. Монохроматичность излучения определяется резо­нансными свойствами отдельных атомов и молекул, которые избирательно поглощают или излучают свет определенной волны. Ее фаза, частота, поляризация и направление распространения совпадают с характеристиками волны внешнего электромагнитного поля накачки. Это и определяет когерентность излучения.

Рассмотрим устройство лазера. В качестве активного вещества в лазерах нашли применение кристаллы рубина и алюмоиттриевого граната (АИГ), газовые смеси гелия с небном, азота с углекислым газом, а также полупроводниковые материалы (арсенид галлия и др.).

Основные элементы твердотельного лазера — оптическая го­ловка, источник питания, блок поджига и синхронизирующее устройство. В оптическую головку входят активный элемент (его помещают между зеркалами резонатора) и источник накачки.

Для работы в импульсном режиме с большой частотой повто­рения, а также в непрерывном режиме наиболее пригоден лазер на алюмоиттриевом гранате с примесью неодима. Кристаллы АИГ отличаются высокой теплопроводностью, большой термиче­ской стойкостью и низким порогом возбуждения. Частота повто­рения импульсов доходит до 50 кГц, а выходная мощность в непрерывном режиме — 300 Вт при сравнительно высоком КПД (до 2,5%).

Лазерные технологические установки СУ-1, УЛ-2М, УЛ-20М и другие независимо от назначения строят по типовой схеме, приве­денной на рис. ниже.

Типовая схема лазерной технологической установки:

1 — зарядное устройство; 2 — емкостный накопи­тель; 3 —система управления; 4 — блок под­жига; 5 —лазерная головка; 6 — система охлаж­дения; 7 —система стабилизации энергии излу­чения; 8 —датчик энергии излучения; 9 — опти­ческая система; 10 —-сфокусированный луч ла­зера; 11 — обрабатываемая деталь; 12 —коорди­натный стол; 13 — система программного управ­ления

В качестве фокусирующей системы применяют стеклянные от­ражатели, покрытые серебром или алюминием, а также металлические охлаждаемые отражатели. Возможно применение линзовой оптики. Коэффициент отражения может достигать 95 %.

Управление лазерным лучом осуществляется по заданной про­грамме.

В зависимости от плотности мощности лазерные потоки разде­ляют на потоки малой (менее 10³ Вт/м²), умеренной (от 10⁹ до 10³ Вт/м²) и высокой плотности (от 10¹³ Вт/м²). Для технологи­ческих целей в основном используют световые потоки умеренной мощности.

Рассмотрим АИГ-лазер. В качестве активного элемента служит стержень из алюмоиттриевого граната (АИГ) размером 6X90 мм, генерирующий излучение с длиной волны 1,06 мкм в инфракрасной области спектра. Для возбуждения генерации используется импульсная газоразрядная лампа накачки типа ИФП-800. В блок лазера входят также резонатор с глухим и полупрозрачным зеркалами. Система охлаждения активного элемента и лампы накачки двухконтурная, работающая на 0,2%-ом растворе хромнила в дистиллированной воде. Поворотом рукоятки меняется двухлинзовые телескопические компоненты уменьшая сечение лазерного луча, соответственно в два и четыре раза. Проходя через перемещаемую барабаном подвижную линзу, луч отклоняется зеркалом и формируется сменным объективом с фокусным расстоянием 50 и 100 мм в круглый пучок диаметром 0,25 и (mах= 1000 мкм * 10000А = 10000000А). Качество работы контролируется визуально оптической системой. Для защиты глаза оператора используется светофильтр и обтюратор с электромагнитным приводом, синхронно перекрывающий оптический канал наблюдателя в момент прохождения импульса. Установка может работать в одиночном режиме подачи импульсов с ручным запуском и частотном режиме с автоматическим запуском. Энергия импульса излучения не менее 3 Дж. При длительности 1,5,2,0,2,5, и 4,0 мс> и регулируемой частотой импульсов 20 Гц. Для контроля энергии рабочего импульса лазера служит индикатор в виде фотодиода с набором ослабляющих светофильтров, на который с помощью полупрозрачного отклоняющего зеркала направляется часть излучения.