Лазерные технологии

      Безусловно  МО диски перспективные и бурно  развивающиеся 
устройства, которые могут решать назревающие проблемы с большими 
объемами информации. Но их дальнейшее развитие зависит не только от 
технологии записи на них, но и от прогресса в области других носителей 
информации. И если не будет изобретен более эффективный способ хранения информации, МО диски возможно займут доминирующие роли.

      4. Лазерные технологии

      Лазеры  нашли широкое применение, и в  частности используются в 
промышленности для различных видов обработки материалов: металлов, 
бетона, стекла, тканей, кожи и т. п.

      Лазерные  технологические процессы можно  условно разделить на 
два вида. Первый из них использует возможность чрезвычайно тонкой 
фокусировки  лазерного луча и точного дозирования  энергии как  в 
импульсном, так и в непрерывном режиме. В таких технологических 
процессах   применяют   лазеры    сравнительно   невысокой средней 
мощности: это газовые лазеры импульсно-периодического действия, лазеры на кристаллах иттрий-алюминиевого граната с примесью неодима. С помощью последних были разработаны технология  сверления тонких отверстий (диаметром 1-10 мкм и глубиной до 10-100 мкм) в рубиновых и алмазных камнях   для часовой промышленности    и   технология изготовления фильеров для протяжки тонкой проволоки. Основная область применения маломощных  импульсных лазеров  связана с резкой и сваркой миниатюрных деталей в микроэлектронике и электровакуумной промышленности, с маркировкой миниатюрных деталей, автоматическим выжиганием   цифр, букв, изображений для   нужд полиграфической промышленности.

      В   последние   годы   в   одной   из   важнейших областей 
микроэлектроники - фотолитографии, без применения которой 
практически невозможно изготовление сверхминиатюрных печатных плат, интегральных схем и других  элементов  микроэлектронной  техники, обычные источники света заменяются на лазерные. С помощью лазера на XeCL (1=308 нм) удается получить разрешение в фотолитографической nтехнике до 0,15 - 0,2 мкм.

      Дальнейший   прогресс   в  субмикронной литографии связан с 
применением в   качестве экспонирующего источника света мягкого 
рентгеновского излучения из плазмы, создаваемой лазерным лучом. В 
этом случае предел   разрешения,   определяемый   длиной   волны 
рентгеновского излучения (1= 0,01 - 0,001 мкм), оказывается просто 
фантастическим.

      Второй  вид лазерной технологии основан  на применении лазеров с 
большой средней мощностью: от 1кВт и выше. Мощные лазеры используют в таких энергоемких технологических процессах, как резка и сварка толстых стальных листов, поверхностная закалка, наплавление и легирование крупногабаритных деталей, очистка зданий от поверхностей загрязнений, резка мрамора, гранита, раскрой тканей, кожи и других материалов. При лазерной сварке металлов достигается высокое качество шва и не требуется применение вакуумных камер, как при электроннолучевой сварке, а это очень важно в конвейерном производстве.

      Мощная  лазерная технология нашла применение в машиностроении, 
автомобильной   промышленности,   промышленности   строительных 
материалов. Она позволяет не только повысить качество обработки 
материалов,   но   и   улучшить   технико-экономические   показатели 
производственных процессов. Так, скорость лазерной сварки стальных 
листов толщиной 14 мКм достигает 100м\ч при расходе электроэнергии 10 кВт.ч. 

      5.Использование  лазера

      5.1. Лазерный луч в  роли сверла. Сверление отверстий в часовых 
камнях — с этого начиналась трудовая деятельность лазера. Речь идет о 
рубиновых камнях, которые используются в часах в качестве подшипников скольжения. При изготовлении таких подшипников требуется высверлить в рубине — материале весьма твердом и в то же время хрупком — отверстия диаметром всего 0,1-0,05 мм. Многие годы эта ювелирная операция выполнялась обычным механическим способом с использованием сверл, изготовленных из тонкой рояльной проволоки диаметром 40-50 мкм. Такое сверло делало до 30 тысяч оборотов в минуту и одновременно совершало при этом около ста возвратно-поступательных перемещений. Для сверления одного камня требовалось до 10-15 мин.

      Начиная с 1964 г. малопроизводительное механическое сверление 
часовых камней стало повсеместно заменяться лазерным сверлением. 
Конечно, термин «лазерное сверление» не надо понимать буквально; лазерный луч не сверлит отверстие — он его пробивает, вызывая 
интенсивное испарение материала. В настоящее время лазерное сверление часовых камней является обычным делом. Для этой цели применяются, в частности, лазеры на стекле с неодимом. Отверстие в камне (при толщине заготовки 0,5-1 мм) пробивается серией из нескольких лазерных импульсов, имеющих энергию 0,5-1 Дж. Производительность работы лазерной установки в автоматическом режиме - камень в секунду. Это в тысячу раз выше 
производительности механического сверления!

      Вскоре  после своего появления на свет лазер  получил следующее 
задание, с которым справился столь же успешно, — сверление (пробивание) отверстий в алмазных фильерах. Для получения очень тонкой проволоки из меди, бронзы, вольфрама используется технология протягивания металла сквозь   отверстие   соответствующего   диаметра.   Такие   отверстия высверливают в материалах, обладающих особо высокой твердостью, — ведь в процессе протягивания проволоки диаметр отверстия должен сохраняться неизменным. Наиболее тверд, как известно, алмаз. Поэтому лучше всего 
протягивать тонкую проволоку сквозь отверстие в алмазе — сквозь так 
называемые алмазные фильеры. Лишь с помощью алмазных фильер удается получать сверхтонкую проволоку, имеющую диаметр всего 10 мкм. Но как просверлить тонкое отверстие в таком сверхтвердом материале, как алмаз? Механически это сделать очень трудно — для механического сверления одного отверстия в алмазной фильере требуется до десяти часов. Зато, как 
оказалось, совсем нетрудно пробить это отверстие серией из нескольких 
мощных лазерных импульсов.

      Сегодня лазерное сверление широко применяется  не только для особо 
твердых материалов, но и для материалов, отличающихся повышенной 
хрупкостью. Лазерное сверло оказалось не только мощным, но и весьма 
деликатным «инструментом». Пример: применение лазера при сверлении 
отверстий в подложках микросхем, изготавливаемых из глиноземной 
керамики. Керамика необычайно хрупка. По этой причине механическое 
сверление отверстий в подложке микросхемы производили, как правило, на «сыром» материале. Обжигали керамику уже после сверления. При этом происходила некоторая деформация изделия, искажалось взаимное 
расположение высверленных отверстий. Проблема была решена с 
появлением лазерных сверл. Используя их, можно работать с керамическими подложками, которые уже прошли обжиг. С помощью лазеров пробивают в керамике очень тонкие отверстия — диаметром всего 10 мкм. Механическим сверлением такие отверстия получить нельзя.

       То, что сверление — призвание  лазера, ни у кого не вызывало сомнений. 
Здесь у лазера фактически не оказалось достойных конкурентов, особенно когда речь шла о сверлении особо тонких и особо глубоких отверстий, когда отверстия надо сверлить в очень хрупких или очень твердых материалах.

      Так выглядит в разрезе отверстие  в алмазной фильере. Лазерными импульсами пробивают черновой канал в алмазной заготовке. Затем, обрабатывая канал  ультразвуком, шлифуя и полируя, 

      Эти аккуратные отверстия диаметром 0,3 мм пробиты в пластинке из глиноземной  
 
 

      5.2. Лазерная резка  и сварка. Лазерным лучом можно резать решительно все: ткань, бумагу, дерево, фанеру, резину; пластмассу, керамику, листовой асбест, стекло, листы металла. При этом можно получать аккуратные разрезы по сложным профилям. При резке возгорающихся материалов место разреза обдувают струёй инертного газа; в результате получается гладкий, необожженный край среза. для резки обычно используют непрерывно генерирующие лазеры. Нужная мощность излучения зависит от материала и толщины заготовки. Например, для резки досок толщиной 5 см применялся С0₂-лазер мощностью 200 Вт. Ширина разреза составляла всего 0,7 мм; опилок, естественно, не было.

      Для резки металлов нужны лазеры мощностью  в несколько киловатт. Требуемую  мощность можно снизить, применяя метод  газолазерной резки - когда одновременно с лазерным лучом на разрезаемую  поверхность направляется сильная  струя кислорода. При горении  металла в кислородной струе (за счет происходящих в этой струе реакций  окисления металла) выделяется значительная энергия; в результате может использоваться лазерное излучение мощностью всего 100-500 Вт. Кроме того, струя кислорода  сдувает и уносит из зоны разрезания расплав и продукты сгорания металла.

      Первый  пример такого рода резки лазерный раскрой тканей на ткацкой фабрике. Установка включает С0₂-лазер мощностью 100 Вт, систему фокусировки и перемещения лазерного луча, ЭВМ, устройство для натяжения и перемещения ткани. В процессе раскроя луч перемещается по поверхности ткани со скоростью 1 м/с. диаметр сфокусированного светового пятна равен 0,2 мм. Перемещениями луча и самой ткани управляет ЭВМ. Установка позволяет, например, в течение часа раскроить материал для 50 костюмов. Раскрой выполняется не только быстро, но и весьма точно; при этом края разреза оказываются гладкими и упрочненными. Второй пример автоматизированное разрезание листов алюминия, стали, титана в авиационной промышленности. Так, С0₂-лазер мощностью 3 кВт разрезает лист титана толщиной 5 мм со скоростью 5 см/с. Применяя кислородную струю, получают примерно тот же результат при мощности излучения 100- 300 Вт.

      В развитии лазерной сварки выделяют два  этапа. Вначале развивалась точечная сварка на основе импульсных лазеров  на рубине и на стекле с неодимом. С появлением мощных С02-лазе-ров  и лазеров на гранате с неодимом, дающих непрерывное излучение или  последовательность часто повторяющихся  импульсов, стала развиваться шовная сварка.

      Примеры точечной лазерной сварки: соединение никелевого контакта с зажимом из никелевого сплава на основании транзистора, приваривание тонких медных проводов друг к другу или к зажимам, взаимное соединение микроэлектронных компонентов. Шовная лазерная сварка непрерывным  излучением мощностью около 100 Вт применяется  для герметизации корпусов приборов, приваривания наконечников к лопастям газовых турбин и кромок из закаленной стали к полотнам металлорежущих пил и т. д. С помощью киловаттных  лазеров производят автоматизированную шовную сварку кузовов автомобилей, корпусов судов, труб газопроводов и  т.д. для сварки деталей из стекла используются лазеры мощностью 100 Вт, для  сварки кварца — мощностью до 300 Вт. Лазерная сварка успешно конкурирует  с известными способами сварки, например с электродуговой и сваркой электронным  лучом. Она обладает весомыми преимуществами. При лазерной сварке нет контакта со свариваемым образцом, а значит, нет опасности загрязнения его  какими-либо примесями. В отличие  от электронно-лучевой сварки, для  которой нужен вакуум, лазерная сварка производится в обычных условиях. Она позволяет производить быстро и с высокой точностью проплавление локально: в данной точке или вдоль  данной линии. Зона, подвергающаяся тепловому  воздействию, имеет очень малые  размеры.

      Это важно, в частности, в тех случаях, когда сварка выполняется в непосредственной близости от элементов, чувствительных к нагреву.

      На  рисунке изображён  процесс вырезания квадратных отверстий в листе нержавеющей стали толщиной 0,5 мм с помощью С0₂-лазера. Скорость  
резания примерно 2 м/мин. Если длина стороны одного отверстия равна 10 мм, то за 1 мин лазерный луч может вырезать до 5 10 отверстий.  

      При газолазерной резке луч работает совместно с сильной струёй кислорода. Место разреза подвергается  

      5.3. Лазерный луч в роли хирургического  скальпеля. Свойством лазерного  луча сверлить и сваривать  различные материалы заинтересовались  не только инженеры, но и медики. Представьте себе операционную, где рядом с операционным столом  находится С02-лазер. Излучение  лазера поступает в шарнирный  световод — систему полых раздвигающихся  трубок, внутри которых свет распространяется, отражаясь от зеркал. По световоду  излучение попадает в выходную  трубку, которую держит в своей  руке хирург. Он может перемещать  ее в пространстве, свободно поворачивая  в разных направлениях и тем  самым посылая лазерный луч  в нужное место. На конце  выходной трубки есть маленькая  указка; она служит для наведения  луча — ведь сам луч невидим.  Луч фокусируется в точке, которая  находится на расстоянии 3-5 мм  от конца указки. Это и есть  лазерный хирургический скальпель.  
           В фокусе лазерного луча концентрируется энергия, достаточная для того, чтобы быстро нагреть и испарить биологическую ткань. Перемещая «лазерный скальпель», хирург рассекает ткань. Его работа отличается виртуозностью: вот он почти неуловимым движением руки приблизил конец указки к рассекаемой ткани, а вот приподнял, отодвинул его подальше; указка быстро и равномерно перемещается вдоль линии разреза, и вдруг ее движение слегка замедляется. Глубина разреза зависит от скорости резания и от степени кровенаполнения ткани. В среднем она составляет 2-3 мм. Часто рассечение тканей выполняют не в один, а в несколько приемов, рассекая как бы послойно. В отличие от обычного скальпеля, лазерный скальпель не только рассекает ткани, но может также сшивать края разреза, иными словами, может производить биологическую сварку.