Лазерная технология. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Лазерная технология - совокупность приёмов и способов обработки материалов и изделий с использованием лазеров. В Л. т. применяются твердотельные лазеры и газовые лазеры, работающие в импульсном, импульсно-периодическом и непрерывном режимах. Осн. операции связаны с тепловым действием лазерного излучения. Для управления световым потоком (повышения интенсивности и локализации воздействия) применяются оптич. системы. Преимущества Л. т.- высокая локальность, кратковременность воздействия, малая зона термич. влияния, возможность ведения технологич. процессов в любых прозрачных средах (в т. ч. в агрессивных) и внутри герметически закрытых объёмов. Лазеры используются для сверления отверстий, резки и скрайбирования (нанесение рис. на поверхность пластины полупроводника лазерным лучом), закалки, гравировки, изготовления и фигурной обработки тонких плёнок, динамич. балансировки вращающихся деталей, подстройки элементов схем и др.

Сверление отверстий. Л. т. упрощает операцию получения отверстий в твёрдых, хрупких, тугоплавких, радиоакт. материалах. Она эффективна при изготовлении алмазных фильер для волочения проволоки, стальных и керамич. фильер для производства искусств. волокна; при сверлении рубиновых часовых камней, ферритовых пластин для устройств памяти, керамич. изоляторов, изделий из сверхтвёрдых сплавов. Для сверления обычно используются импульсные лазеры на неодимовом стекле, иттрий-алюминиевом гранате (ИАГ), СО₂. Типичные параметры лазеров: энергия от десятых долей до десятков Дж, длительность импульса 0,1 - 1 мс, плотность потока энергии до 10 МВт/см². Недостаток лазерного метода сверления в одноимпульсном режиме - невысокая точность и плохая воспроизводимость, связанные с флуктуациями интенсивности излучения. Этот недостаток частично устраняют, переходя к многоимпульсной методике. В этом случае обработка ведётся серией импульсов с энергией в импульсе 0,1-0,5 Дж. При этом удаётся получать отверстия сложного профиля с отношением глубины к диаметру 1-20 при точности обработки 1 мкм.

Резка и скрайбирование. Наиб. важны резка тонких плёнок и полупроводниковых пластин при изготовлении интегральных схем и т. н. газолазерная резка листовых материалов (см. ниже). Резку тонких плёнок производят серией коротких импульсов. Для этой цели используются газовые лазеры на молекулярном азоте либо твердотельные лазеры на ИАГ с Nd. Типичные интенсивности

10⁶-10⁷ Вт/см², ширина реза 5- 30 мкм. Для резки и скрайбирования полупроводниковых пластин удобен лазер на ИАГ с Nd, обеспечивающий при ср. мощности

10-50 Вт и частоте следования импульсов

1 кГц скорость разрезания (нанесения рисок)

60 мм/мин. Ширина разреза вместе с зоной термич. влияния

50-100 мкм.

При газолазерной резке на обрабатываемый объект одновременно направляют лазерное излучение и струю газа. Чаще всего применяют С0₂-лазер; состав газовой струи зависит от обрабатываемого материала. При резке неметаллов, хорошо поглощающих излучение СО₂-лазера, струя газа (воздух или инертный газ) используется для охлаждения краёв разреза и удаления продуктов разрушения. При резке металлов применяют кислород или воздух, к-рые способствуют предварит. окислению металла, что уменьшает его отражат. способность; далее происходит воспламенение металла и выделяющееся тепло усиливает термич. действие лазерного излучения; наконец струя удаляет расплав и продукты окисления, обеспечивая поступление кислорода к фронту горения. В зависимости от скорости перемещения луча возможны два режима: управляемой резки, когда тепла от реакции недостаточно для самоподдерживающегося фронта горения на всю поверхность, обдуваемую струёй 0₂, и неуправляемой (автогенной) резки, когда металл горит по всей поверхности за счёт тепла реакции окисления. Газолазерная резка затруднена, если металл имеет тугоплавкий окисел либо низкий тепловой эффект реакции окисления.

Обычно для газолазерной резки требуются интенсивности

100 кВт/см². Применяются СО₂-лазеры непрерывного действия мощностью неск. сотен Вт. Ширина разреза 0,3-1 мм при толщине разрезаемого материала до 10 мм.

Сварка. Осн. преимущество лазерной сварки - бесконтактность (напр., через прозрачные окна внутри герметически закрытых сосудов); существен также малый размер зоны термич. влияния, что позволяет работать в условиях интенсивного теплоотвода. Лазерным методом удаётся соединять металлы и сплавы, не свариваемые обычным способом, напр. W с Си или со сталью. Для сварки целесообразно использовать импульсные лазеры. Можно выполнять точечную и шовную сварку. Типичные интенсивности 0,1-1 МВт/см² (в зависимости от материала). Толщина свариваемых деталей 0,01-1 мм. Отношение глубины проплавления к ширине шва 0,5-5.

Фигурная обработка поверхности. Проблема образования микрорельефа на поверхности материалов важна для микроэлектроники, полиграфич. промышленности, при обработке твёрдых сплавов, ювелирных камней и т. п. Для создания рельефа используются: испарение, термообработка, в результате к-рой происходят структурные превращения в материале; окислительно-восстановительные реакции и реакции разложения, вызванные нагреванием; термостимулированные диффузионные процессы.

Литература по лазерным технологиям

Знаете ли Вы, в чем фокус эксперимента Майкельсона?

Эксперимент А. Майкельсона, Майкельсона - Морли - действительно является цирковым фокусом, загипнотизировавшим физиков на 120 лет.

Дело в том, что в его постановке и выводах произведена подмена, аналогичная подмене в школьной шуточной задачке на сообразительность, в которой спрашивается:
- Cколько яблок на березе, если на одной ветке их 5, на другой ветке - 10 и так далее
При этом внимание учеников намеренно отвлекается от того основополагающего факта, что на березе яблоки не растут, в принципе.

В эксперименте Майкельсона ставится вопрос о движении эфира относительно покоящегося в лабораторной системе интерферометра. Однако, если мы ищем эфир, как базовую материю, из которой состоит всё вещество интерферометра, лаборатории, да и Земли в целом, то, естественно, эфир тоже будет неподвижен, так как земное вещество есть всего навсего определенным образом структурированный эфир, и никак не может двигаться относительно самого себя.

Удивительно, что этот цирковой трюк овладел на 120 лет умами физиков на полном серьезе, хотя его прототипы есть в сказках-небылицах всех народов всех времен, включая барона Мюнхаузена, вытащившего себя за волосы из болота, и призванных показать детям возможные жульничества и тем защитить их во взрослой жизни. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.