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.