Лазерные установки

Технологические генераторы когерентного светового излучения (в основном газовые и твердотельные) имеют мощность непрерывного излучения до нескольких сотен киловатт и энергию отдельного импульса до нескольких сотен джоулей. Хотя они имеют большие габаритные размеры, потребляют значительную мощность, сложны в изготовлении и эксплуатации, однако их использование дает ряд технологических преимуществ, определяющих их широкое применение: 1) возможность передачи энергии в виде светового луча на расстоянии в любой оптически прозрачной среде; 2) отсутствие механического и электрического контакта между источником энергии с изделием в месте обработки; 3) наличие высокой концентрации энергии в пятне нагрева; 4) возможность плавной регулировки плотности лучистого потока в пятне нагрева изменением фокусировки луча; 5) возможность получения как импульсов энергии весьма малой длительности (до 10~9 с), так и непрерывного излучения перемещением луча с высокой точностью и скоростью с помощью систем развертки при неподвижном объекте обработки.

Особенность лазерной обработки является интенсивный локальный разогрев обрабатываемого материала. Интенсивность нагрева определяется глубиной проникновения излучения в материал б и толщиной прогретого путем теплопроводимости слоя , где
а — температуропроводность материала; τ — длительность воздействия лазерного излучения. Для металлов, когда δ , источник теплоты является поверхностным.

Процесс взаимодействия лазерного излучения с обрабатываемым материалом можно разделить на следующие стадии:

части доминируют в процессах резки и сверления отверстий.

В зависимости от назначения в состав лазерной технологической установки кроме лазеpа могут входить оптико-механический блок устройство управления лазерным излучением, устройство измерения и стабилизации параметров излучения, блок охлаждения, устройство автоматики, сигнализации и т. д. Структурная схема промышленной лазерной установки показана на рис. 5.11.

В зависимости от конструктивных особенностей и конкретных условий в реальных установках могут отсутствовать или быть совмещены те или

иные устройства и узлы.

Мощные лазеры применяются в технологических процессах обработки различных материалов. В частности, с их помощью производят сварку, закалку, резку и сверление различных материалов без возникновения в них механических напряжений и с очень большой точностью, вплоть до нескольких длин световых ноли. Лазерами обрабатывают материалы практически любой твердости, металлы, алмазы, рубины и т. д.

Газолазерная резка основана на разделении материала под воздействием выделяющейся в нем теплоты с поддувом в зону резки газа, который удаляет продукты разрушения и инициирует при разделении материалов химическую реакцию. Этот способ резки целесообразен для обработки дорогих металлов и сплавов, поскольку из-за небольшой ширины реза ей свойственны минимальные обходы. Она широко применяется в электронной и микроэлектронной промышленности при производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем. Успешно применяется лазерная резка в текстильной промышленности. Разработаны технологические процессы лазерного изготовления глухих и сквозных отверстий при изготовлении алмазных фильер и рубиновых часовых камней.

Лазерная сварка наиболее эффективна в микроэлектронике. С ее помощью производят соединение плоских выводов с монтажом печатных плат. Лазерная сварка применяется и при герметизации металлических корпусов интегральных схем. Высокая локальность и кратковременность нагрева при импульсной лазерной сварке позволяет понизить температуру в наиболее чувствительных к нагреву элементов интегральной схемы.

С помощью лазерной сварки можно соединять металлы с различными теплофизическими и химическими свойствами, а также с неметаллами. Она может применяться для сварки крупногабаритных деталей и узлов.

Термическое действие лазерного излучения может быть применено для закалки и поверхностного упрочнения («залечивание» микродефектов оплавлением) быстроизнашивающихся металлических деталей, для создания р-n-переходов в производстве полупроводниковых приборов, для интенсификации процессов локального окисления и восстановления; для получения тонких пленок путем испарения материалов в вакууме и т. д.

Лазерное излучение абсолютно стерильно, поэтому оно используется в медицине для глазных операций, при остановке кровотечений, а также в сельском хозяйстве для предпосевной обработки семян.

Высокая мощность и экономичность С0₂-лазеров делают возможным их использование для разрушения сверхпрочных горных пород при работах в шахтах и тоннелях.

Новые химические реакции, новые химические продукты, ускорение и удешевление химических реакций, разделение изотопов — вот неполный перечень тех преимуществ, которые может дать применение лазеров в химической технологии.