Бесконтактное удаление лазером весьма малых масс материала применяют также при динамической балансировке роторов гироскопов и при точной подгонке балансов часовых механизмов, что позволяет существенно повысить точность этих операций и увеличить производительность.
Лазерную резку материалов (рис. 4) осуществляют как в импульсном, так и в непрерывном режиме. При резке в импульсном режиме непрерывный рез получается в результате наложения следующих друг за другом отверстий. Наиболее широкое применение получила резка (фрезерование) тонкоплёночных пассивных элементов интегральных схем, например с целью точной подгонки значений их сопротивления или ёмкости. Для этого применяют импульсные лазеры на алюмо-иттриевом гранате с модуляцией добротности, лазеры на углекислом газе. Импульсный характер обработки обеспечивает минимальную глубину прогрева материала и исключает повреждение подложки, на которую нанесена плёнка. Лазерные установки различных типов позволяют вести обработку при следующих режимах: энергия излучения 0,1—1 мдж, длительность импульса 0,01—100 мксек, плотность потока излучения до 100 Мвт/см2, частота повторения импульсов 100—5000 импульсов в 1 сек. В сочетании с автоматически управляющими системами лазерные установки для подгонки резисторов обеспечивают производительность более 5 тыс. операций за 1 ч. Импульсные лазеры на алюмо-иттриевом гранате применяются также для резки полупроводниковых пластин-подложек интегральных схем.
Лазеры непрерывного действия на углекислом газе мощностью от нескольких сотен вт до нескольких квт применяют для газолазерной резки, при которой в зону воздействия лазерного луча подаётся струя газа. Газ выбирают в зависимости от вида обрабатываемого материала. При резке дерева, фанеры, пластиков, бумаги, картона, текстильных материалов в зону обработки подаётся воздух или инертный газ, которые охлаждают края реза и препятствуют сгоранию материала и расширению реза. При резке большинства металлов, стекла, керамики струя газа выдувает из зоны воздействия луча расплавленный материал, Что позволяет получать поверхности с малой шероховатостью и обеспечивает высокую точность реза. При резке железа, малоуглеродистых сталей и титана в зону нагрева подаётся струя кислорода. В результате экзотермической реакции окисления металла выделяется дополнительное тепло, что позволяет значительно повысить скорость резки. Характерные режимы газолазерной резки: мощность излучения 300—1000 вт, плотность потока излучения в зоне обработки 100 квт/см2, ширина реза 0,3—1 мм, толщина разрезаемого материала до 10 мм; скорость резки зависит от толщины и свойств обрабатываемого материала и может быть от 0,5 до 10 м/мин, для тонких материалов (бумага, ткань) до 50 м/мин и более. Достоинства газолазерной резки: простота автоматизации процесса, малая ширина реза и небольшая глубина зоны термического влияния, отсутствие вредных отходов при резке стеклопластиков, оплавление краев реза синтетических текстильных материалов, что препятствует их распусканию.
Лазеры на углекислом газе применяют для резки хрупких материалов (стекло, керамика) методом управляемого термического раскалывания. При локальном нагреве материала по траектории движения луча создаются термические напряжения, превышающие предел прочности материала. Возникающая трещина развивается вслед за лучом, траектория которого может иметь сложную форму. Скорость резки достигает нескольких м/мин. Управляемое термическое раскалывание применяется при резке стеклянных трубок в производстве электровакуумных приборов, керамических подложек интегральных схем, для резки листового и фасонного стекла.
Применение лазера в других областях. Термическое действие лазерного излучения может быть применено для поверхностного упрочнения (закалка и «залечивание» микродефектов оплавлением) быстроизнашивающихся металлических деталей, например режущего инструмента для создания электронно-дырочных переходов в производстве полупроводниковых приборов. В производстве интегральных схем действие лазера используют для локальной термической диссоциации некоторых металлсодержащих органических соединений при изготовлении плёночных элементов схем; для интенсификации процессов локального окисления и восстановления; для получения тонких плёнок путём испарения материалов в вакууме.
В СССР промышленность выпускает лазерные технологические установки различного назначения с лазерами на стекле с неодимом, алюмо-иттриевом гранате, углекислом газе и на др. активных средах. На рис. 5 представлена типичная блок-схема лазерной технологической установки.
Дальнейшее развитие Л. т. связано с увеличением мощностей лазеров, что позволит обрабатывать материалы ещё большей толщины. Задачами Л. т. в области обеспечения более высокой точности обработки является разработка эффективных методов управления параметрами излучения, улучшение равномерности распределения интенсивности излучения по сечению пучка, повышение стабильности выходных параметров лазеров, а также детальное изучение физических процессов воздействия лазерного излучения на материалы в различных режимах работы лазеров.
Лит.: Действие излучения большой мощности на металлы, М., 1970; Лазерная технология, М., 1970; Технологическое применение газовых лазеров, Л., 1970; Лазерная литография, Л., 1971.
М. Ф. Стельмах, А. А. Чельный.
Рис. 1а. Лазерная сварка: медно-константановая термопара, сваренная лучом лазера (диаметр проволоки 0,07 мм).
Рис. 2г. Сверление отверстий лазерным излучением: отверстие в алмазной волоке (толщина кристалла 1,2 мм, минимальный диаметр отверстия 0,08 мм).
Рис. 4. Лазерная резка: а — резка тонкой хромовой резистивной плёнки с целью подгонки сопротивления (толщина плёнки 0,5 мкм, ширина реза, указанного стрелкой, 50 мкм); б — надрезы на стекле, по которым происходит термическое раскалывание (получены лазером на углекислом газе).
Рис. 1б. Лазерная сварка: микрофотография шлифа сварного соединения никелевой фольги толщиной 0,2 мм с медной пластиной.
Рис. 2а. Сверление отверстий лазерным излучением: круглое отверстие диаметром 0,1 мм в пластине из феррита толщиной 0,5 мм.
Рис. 3. Лазерная установка «Квант-9» для сверления отверстий в алмазных волоках: 1 — лазерная головка; 2 — оптическая система; 3 — обрабатываемая деталь; 4 — система управления; 5 — источник питания; 6 — система охлаждения; 7 — стол оператора.
Рис. 1г. Лазерная сварка: полупроводниковые приборы, корпуса которых герметизированы с помощью лазерной сварки.
Рис. 1в. Лазерная сварка: сварной шов, полученный при сварке листов ковара и нержавеющей стали толщиной 0,3 мм излучением лазера на алюмо-иттриевом гранате.
Рис. 5. Типичная блок-схема лазерной технологической установки с твердотельным лазером: 1 — зарядное устройство; 2 — ёмкостной 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.
Рис. 2в. Сверление отверстий лазерным излучением: продольное сечение цилиндрических отверстий диаметром 0,05 мм в пластине из феррита.
Рис. 2б. Сверление отверстий лазерным излучением: фигурное отверстие в пластине из нержавеющей стали толщиной 0,3 мм.
Лазерное излучение
Ла'зерное излуче'ние (действие на вещество). Высокая мощность Л. и. в сочетании с высокой направленностью позволяет получать с помощью фокусировки световые потоки огромной интенсивности. Наибольшие мощности излучения получены с помощью твердотельных лазеров на стекле с примесью Nd с длиной волны излучения l = 1,06 мкм и в газовых CO2 — лазерах с l = 10,6 мкм (см. табл.).
Лазер Длительность импульса,
сек Энергия импульса,
дж Мощность,
вт Максимальная плотность потока излучения,
вт/см2 CO2 Nd + стекло CO2 Nd + стекло Nd + стекло Непрерывный 10-3 6 × 10-8 10-9 (0,3) 10-11 — 104 3 × 102 3 × 102 10—20 103 107 5 × 1019 3 × 1011 1012—1013 до 107 до 107—1011 1013 1016 1015—1016
Особенности Л. и. привели к открытию целого ряда новых физических явлений, круг которых быстро расширяется по мере увеличения мощности лазеров.
