Лазерная технология

Поверхностное упрочнение чугунных деталей с оплавлением поверхности при действии непрерывного лазерного излучения следует признать перспективным технологическим процессом. Оно резко увеличивает долговечность изделий, причем качество поверхности обработанных деталей сравнительно мало ухудшается, нет коробления, даже если использовать излучение лазерных установок с большей мощностью (более 1 кВт), позволяющее получать диаметры пятен нагрева более 5 мм с достаточным по равномерности распределением мощности по радиусу.

На Московском автомобильном заводе использовался мощный СО2-лазер ЛТ1-2 (мощностью 5 кВт) для упрочнения деталей грузовых автомобилей, в частности, гильзы цилиндров автомобильного двигателя ЗИЛ-130. Чтобы разработать технологию лазерного упрочнения гильзы, пришлось изучить влияние энергетических характеристик лазерной обработки на размеры зон лазерного воздействия, а также ряда технологических параметров (скорости перемещения луча, типа поглощающего покрытия). Сравнительные испытания износостойкости серийной биметаллической гильзы из чугуна СЧ 24-44 со вставкой из сплава «нирезист» и монолитной гильзы из того же чугуна, поверхность которого упрочнена лазерным излучением, показали их малое отличие. Более простая технология изготовления серийных гильз, использующая лазерное упрочнение, позволяет сэкономить в год около 1100 т дефицитного сплава, содержащего 16% никеля.

Другая важная в практическом отношении работа по лазерному упрочнению головки блока цилиндров из литейного алюминиевого сплава также выполнена на ЗИЛе. В этом процессе использовался лазер ЛТ1-2. При мощности 1 -- 5 кВт диаметр светового пятна на поверхности металла составил 3 -- 8 мм, а скорость движения луча 0,5 -- 4 см/с. Плавление поверхностного слоя металла и последующее затвердевание расплава с высокой скоростью охлаждения, позволяют получить мелкодисперсную структуру сплава с размером зерен 5 -- 8 мкм, что в 70 -- 80 раз меньше, чем у исходного металла. При этом глубина упрочненной зоны -- 1,3 мм. Результаты испытаний головок цилиндра на стойкость против их детонационного разрушения показали более чем двукратное увеличение по сравнению с серийными головками, не обработанными излучением.

Поверхностное легирование. Легирование тонкого поверхностного слоя расплава, созданного воздействием импульсного или непрерывно действующего излучения, используют как метод повышения микротвердости, а также для получения локального участка с повышенными антикоррозионными свойствами. Например, для легирования стали, на ее поверхность наносится тонкий слой микропорошка легирующего металла и жидкого стекла, используемого как связывающее вещество. В состав микропорошка входят углерод, марганец, кобальт, хром, ниобий, никель, молибден. Химический состав стали после лазерной обработки изменяется, что обусловливает изменение микротвердости, которая выше, чем твердость, облученной на воздухе без легирования.

В США описан процесс поверхностного легирования кобальтом для повышения износоустойчивости детали. Ранее его выполняли вручную -- дуговой наплавкой неплавящимся вольфрамовым электродом. Сложность процесса, возникновение дефектов, деформации, необходимость длительной механической доводки, потери до 50% дорогостоящих легирующих материалов и другие факторы заставили заменить этот способ лазерным легированием.

При лазерном легировании на поверхность образца из нержавеющей стали, площадь которого была 19 см², наносили порошковые покрытия различной толщины (1,38, 1,77, 2,36 мм). Наносили их с помощью плазменного генератора. Прочность связи между покрытием и основным металлом оказалась невысокой. Чтобы добиться прочной связи, на поверхность воздействовали лазерным пучком прямоугольного сечения 7,6X15,2 мм, Чтобы не появились трещины и поры, изделие предварительно подогревали. Равномерность распределения температуры предварительного подогрева по объему детали -- важный фактор, предотвращающий возможность образования дефектов. Глубину проплавления и степень перемешивания расплавов покрытия и основного металла регулируют, управляя скоростью перемещения луча. В некоторых случаях для получения плоской отшлифованной поверхности используется дополнительная механическая доводка. В результате с поверхности детали, обработанной при дуговой наплавке в инертной среде вольфрамовым электродом, удалялся 1,6 мм толщины материала, а при обработке лазером -- только 0,4 мм.

Стабилизация параметров пленок. Одна из важных задач в технологии нанесения пленок (для целей микроэлектроники) -- искусственное «старение» с помощью изменения их структуры. Эксперименты показывают, что воздействие лучом лазера позволяет существенно ускорить этот процесс по сравнению с традиционным способом нагрева в вакуумных печах. Кроме того, лазерная обработка пленок в 2--3 раза повышает стабильность их свойств.

Рекристаллизация пленок. Рекристаллизация тонких кленок полупроводников и металлов на подложках из других материалов представляет определенный интерес для пленочной технологии, поскольку позволяет получать монокристаллическую структуру пленок из аморфной. Аморфные слои полупроводников образуются при напылении в вакууме паров, например, германия на неподогретые бесструктурные подложки. Высокие скорости охлаждения приводят к образованию аморфной структуры.

Получение металлических стекол. В последнее время усилился интерес к аморфным материалам. Материалы эти обладают рядом свойств, отличающих их от кристаллических материалов. Эти отличия касаются магнитных, электрических, механических и коррозионных свойств. Так, у аморфных металлов существенно выше магнитная проницаемость, более высокая стойкость к коррозии. В настоящее время в различных странах разрабатываются методы получения аморфных пленок быстрым охлаждением тонкого слоя расплава или его капель, вытягиванием тонких нитей из расплава и др.

Лазерное воздействие как метод получения на поверхности слоя металлического стекла весьма заманчиво. У металлов, например, быстро расплавляется тонкий слой, а отвод тепла от ванны расплава в металл обеспечивает высокую скорость охлаждения, в ряде случаев недоступную другим методам. Скорости охлаждения при лазерной обработке могут превосходить 10⁶ град/с, что достаточно для формирования на поверхности металлического стекла, как называют поверхностный аморфный слой в металлах.

Лазерный отжиг ионноимплантированных слоев. Вспышку публикаций во всем мире вызвало открытие лазерного отжига ионноимплантированных слоев полупроводниковых материалов в СССР в 1976 г. В технологии микроэлектроники одним из методов создания интегральных схем является введение в тонкий поверхностный слой подложки из полупроводника ионов бора, мышьяка и других элементов для получения электрических структур типа р-n-переходов. Глубина ионного легирования мала, обычно менее 1 мкм. При ионной имплантации создаются дефекты структуры, связанные с воздействием ионов, так называемые радиационные дефекты, существенно ухудшающие характеристики получаемых этим методом электрических структур. Типичной «долазерной» технологией улучшения качества интегральной схемы после ионной имплантации был длительный (порядка нескольких часов) отжиг подложки в диффузионной печи, что все равно не позволяло уничтожить ряд дефектов. Воздействие короткого импульса лазера (длительностью в несколько единиц 10^-8с) плавит тонкий поверхностный слой в десятые доли микрометра и устраняет большинство радиационных дефектов. Другое важное преимущество лазерного отжига -- процесс может быть реализован на воздухе, так как из-за малой продолжительности импульса лазерного излучения является высоким, как говорят, «эквивалентный» вакуум.

Лазерная сварка. По характеру воздействия излучения на тела лазерная сварка обычно разделяется на импульсную и непрерывную. С помощью импульсного воздействия лазерного излучения можно осуществить точечную сварку соединений различной геометрической конфигурации, а также шовную сварку стыковых соединений, получаемую при последовательном нанесении сварных точек с перекрытием отдельных зон облучения при высокой частоте следования импульсов излучения. Непрерывная лазерная сварка на практике осуществляется только СО2-лазерами и, как правило, является шовной.

Импульсная лазерная сварка. Для сварки большинства материалов, включая тугоплавкие металлы, требуются плотности потоков излучения 1C⁵--10⁶ Вт/см², если длительность импульса составляет несколько миллисекунд. В ряде случаев при сварке необходимо выполнить следующие технологические требования:

ограничить размер зоны термического влияния;

ограничить вынос расплава из зоны воздействия излучения, чтобы не снижалась прочность соединения;

ограничить температурные градиенты в зоне сварки, чтобы снизить термические напряжения, приводящие к образованию трещин;

сделать минимальным время контакта твердой и жидкой фаз, чтобы избежать образования интерметаллических прослоек и появления хрупкости зоны термического влияния;

добиться максимальной глубины проплавления без удаления массы, чтобы не снижать прочности соединения;

при необходимости создать защитную атмосферу или проводить сварку в вакууме для избежания заметного окисления поверхности материалов.

При лазерной сварке тепло, введенное при поглощении энергии импульса излучения, передается от поверхности тела в глубь материала благодаря теплопроводности. Для каждого материала и толщины, которую необходимо проплавить, существует оптимальный диапазон длительностей импульса, в пределах которого можно получить сварное соединение без чрезмерного выноса материала из зоны нагрева.

Одной из основных характеристик лазерного импульса при точечной сварке является его энергия. Она влияет как на общее количество тепла, введенного в тело, так и на некоторые характеристики излучения, так как от энергии луча лазера зависит длительность импульса, его временная структура и расходимость луча. Поэтому лазерные установки, чтобы избежать изменения других параметров, обычно работают при постоянной энергии накачки, а энергия лазерного луча изменяется с помощью светофильтров или диафрагм.

Удельная мощность, требуемая для сварки, может быть определена расчетным путем, если известны теплофизические и оптические свойства материала, и радиус пятна фокусировки излучения в зоне сварки. Затем параметры излучения уточняются в эксперименте. Форма импульса при сварке существенно влияет на формирование сварного соединения. Опытные данные показывают, что оптимальной формой импульса является трапецеидальная или треугольная, передний фронт которой достаточно крут, а задний - пологий. Для формирования временной структуры лазерного импульса существуют специальные методы.

Лазерная импульсная сварка наиболее эффективна в труднодоступных местах, в условиях интенсивного теплообмена (когда у соединяемых материалов высокая теплопроводность), при соединении легкодеформируемых деталей, а также изделий, требующих ограничения зоны термического влияния и максимальной технологической чистоты.

Технология лазерной сварки применяется при изготовлении изделий электронной техники более 100 типов. Ее внедрение позволило в несколько раз повысить производительность труда, увеличить выход годных приборов на 10-- 30%, улучшить их рабочие характеристики. В частности, надежность некоторых приборов после лазерной сварки возросла на 20--30%. Применение метода позволило разработать ряд новых приборов с повышенными параметрами и уменьшенными габаритами. Лазерная импульсная шовная сварка применяется в производстве кварцевых резонаторов, в том числе для наручных мужских электронных часов. Она полностью заменила прежнюю технологию герметизации корпусов пайкой, которая не удовлетворяла требованиям стабильности вакуумной плотности и стерильности процессов, так как из-за остаточного флюса характеристики приборов выходили за пределы ТУ.

Лазерная сварка успешно применяется в технологических процессах при изготовлении электровакуумных и СВЧ-приборов. Это объясняется тем, что применение контактной сварки при сборке катодных узлов магнетронов, ламп бегущей волны и клистронов приводит к загрязнению соединяемых деталей частицами материала сварочного электрода. При высоких температурах этот материал испаряется и, попадая на активную поверхность катода, ухудшает его эмиссионные свойства.

Бесконтактность импульсной лазерной сварки позволяет сваривать узлы электронных пушек СВЧ-приборов без деформации конструкции, что повышает выход годных изделий, улучшает их параметры.

Интересно, что некоторые лампы бегущей волны и электронно-оптические приборы собирают при лазерной сварке через стеклянный баллон, что позволяет поддерживать высокий вакуум при нанесении фоточувствительных катодов.

Непрерывная лазерная сварка. Наиболее подходящим для непрерывной сварки является СО₂-лазер, с большим, в сравнении с другими лазерами, энергетическим КПД и значительной мощностью -- более 20 кВт, что позволяет применять его для сварки металлов и сплавов средней и большой толщины.

Сварка большинства конструкционных материалов при высоких уровнях непрерывной мощности имеет ряд особенностей. Наиболее важной из них следует считать интенсивное испарение металлов из ванны расплава, в результате чего над поверхностью расплава образуется и существует на протяжении всего процесса облако плазмы (лазерный факел). Это может стать причиной сильной экранировки лазерного луча, нарушения условий фокусировки, что весьма нежелательно. Чтобы избежать подобного, сварку выполняют в атмосфере газа, подавляющего ионизацию (гелий, аргон), либо сдувают лазерный факел струей инертного газа. В этом случае глубина проплавления существенно возрастает. Так, в США при проплавлении нержавеющей стали лучом лазера мощностью 20 кВт в струе гелия при скорости сварки 150 м/ч получили шов глубиной 12,7 мм и шириной 1,6 мм. При сварке той же стали, на воздухе глубина шва уменьшилась более чем в 4 раза, одновременно увеличилась ширина шва -- до 12,6 мм. В первом случае реализовывался режим глубокого проплавления (называемый также кинжальным по форме поперечного сечения шва), во втором -- тепловой источник распространялся по большей площади, и его концентрация сильно уменьшалась.

Подавать в зону сварки газовую струю, подавляющую плазмообразование, необходимо еще и потому, что газ может быть одновременно использован и для защиты расплавленного металла от воздействия на него воздуха, что особенно существенно при сварке активных металлов. Опыт подсказывает, что для устранения плазменного облака над сварным швом целесообразно использовать гелий (у него высокий потенциал ионизации), а для защиты шва -- аргон.

Как правило, непрерывную лазерную сварку проводят в режиме глубокого проплавления. Поэтому практически все известные случаи ее использования относятся к стыковым, внахлестку и тавровым соединениям металлических листов. Ширина зазора не должна превышать 0,1 толщины соединяемых листов, чтобы исключить непровары. При увеличении зазора происходит либо «подрез» краев шва, либо шов не образуется совсем.

Получение отверстий. Технологический процесс получения отверстий с помощью лазерного луча возник как ответ на потребность в эффективных методах изготовления микроотверстий в деталях из сверхтвердых и тугоплавких материалов.

В промышленности лазерные технологические установки широко применяются преимущественно для получения черновых отверстий, например в рубиновых часовых камнях и заготовках алмазных волок, а также в различных деталях приборов и машин ряда отраслей промышленности в тех случаях, когда не предъявляются жесткие требования к точности обработки.

Расплав, образующийся при воздействии излучения, в определенной степени отрицательно влияет на формирование отверстия. Это связано с тем, что снижение удельной мощности в процессе обработки, как правило, имеет место в конечной части процесса, что может привести к заплавлению отверстия при движении жидкой фазы. Поэтому следует принимать специальные меры, чтобы образование расплава не препятствовало получению отверстия или не искажало бы его форму. Кроме того, выброс жидкой фазы на поверхность детали образует венчик застывшего металла и снижает качество обработки.

На параметры отверстий существенно влияют энергетические характеристики импульса, временные параметры излучения, а также условия фокусировки излучения. Остановимся на роли каждого фактора.

Влияние энергетических характеристик. Многие технологические лазерные установки имеют одну неизменную длительность импульса или их ограниченный набор. В таком случае для получения заданных размеров отверстия подбирают энергию импульса. Тогда зависимость глубины и диаметра отверстия от энергии импульса излучения - одна из основных характеристик, определяющих возможности получения отверстий с помощью лазера.

Изменить энергию лазерного импульса можно несколькими методами: изменением электрической энергии накачки импульсных ламп (наиболее распространенный способ); применением светофильтров; диафрагмированием луча.

При одинаковых значениях энергии в импульсе диаметры отверстий, полученных, например, в стальных пластинах, будут различными в зависимости от метода получения энергии импульса -- диафрагмированием или изменением энергии накачки. При энергии импульса лазерного излучения в несколько джоулей диаметры отверстий могут отличаться в 2--2,5 раза. Это обусловлено тем, что уменьшение диаметра отверстия при диафрагмировании луча связано с уменьшением его расходимости, а при изменении энергии с помощью увеличения (или уменьшения) энергии накачки импульсных ламп меняется не только расходимость луча, но и длительность импульса излучения. Если диаметр отверстия сильно зависит от диафрагмирования лазерного луча, то глубина отверстия -- весьма слабо.

Влияние временных характеристик. Специально проведенные опыты показали существенную зависимость размеров отверстия от длительности импульса при постоянной его энергии. Увеличение длительности импульса приводит к росту глубины отверстия, одновременно уменьшая его диаметр. Это объясняется тем, что увеличение длительности импульса снижает удельную мощность излучения (напомним, что энергия импульса считается постоянной), а отсюда -- уменьшение экранирующего влияния продуктов разрушения. Однако плотность потока излучения не должна быть ниже некоторой величины, по достижении которой отверстие «затекает» расплавом или вообще не образуется. Влияние формы импульса на параметры отверстия рассмотрим ниже.

Влияние условий фокусировки. Более пространно это влияние на параметры отверстия величины фокусного расстояния оптической системы и смещения фокальной плоскости относительно поверхности детали.

С увеличением фокусного расстояния линзы удельная мощность излучения снижается (при прочих неизменных характеристиках энергии, длительности импульса, положения фокальной плоскости относительно поверхности детали), а значит, уменьшается отношение диаметра отверстия на входе к диаметру пятна нагрева. Диаметры входных отверстий при фокусировке луча на поверхность мишени превышают обычно в несколько раз диаметры пятен нагрева на поверхности. Это объясняется тем, что при формировании отверстия стенки его размываются в результате выброса жидкой фазы, образующейся на них.

Наибольшая глубина отверстия достигается при фокусировке лазерного излучения на некоторое расстояние в глубь материала от поверхности детали. Применение линз с меньшим фокусным расстоянием позволяет получать более глубокие отверстия с меньшим диаметром.

Факторы, влияющие на точность и воспроизводимость результатов. Области практического применения лазерной размерной обработки ограничены преимущественно получением отверстий не выше 3-го класса точности. Тем не менее, лазерная технология получения отверстий внедрена на ряде предприятий, где с ее помощью получают черновые отверстия (на проблемах внедрения этих процессов мы остановимся позднее).

Относительно невысокие точность и качество лазерной размерной обработки в ее одноимпульсном варианте обусловлены большим объемом расплава в продуктах разрушения и его малоуправляемым перераспределением при движении по стенкам отверстия в конце действия импульса излучения лазера и после окончания его действия, пока не произойдет затвердевание.

Для хрупких материалов возрастание длительности импульса приводит к росту зоны термических напряжений и к образованию трещин. В то же время уменьшение продолжительности действия импульса значительно уменьшает вероятность появления трещин для таких материалов, как ферриты; длительность импульса, при которой трещин не появляется, как показывают опытные данные, не превышает 0,1 мс. С другой стороны, коротким импульсом излучения невозможно получить глубокое отверстие.

На точность и воспроизводимость параметров отверстий влияет ряд факторов, которые можно разбить на три основные группы.

Факторы первой группы, которые оказывают наибольшее влияние на воспроизводимость размеров и форм отверстий, связаны с нестабильностью таких параметров излучения, как энергия, длительность импульса, угол расходимости, пространственная и временная структура излучения.

Факторы второй группы обусловлены различными неточностями установки деталей и их перемещения в зоне воздействия излучения. Например, несовпадение нормали к поверхности детали с оптической осью фокусирующей системы при перемещении детали может при получении серии отверстий повлиять на диаметр и форму отверстия вследствие расфокусировки.

Факторы третьей группы связаны с неоднородностью структуры вещества, свойств и состояния обрабатываемой поверхности деталей, что также влияет на воспроизводимость результатов в партии однотипных изделий.

Влияние указанных факторов может быть существенным в тех случаях, когда диаметры отверстий соизмеримы с размерами неоднородностей или когда их число велико (пористые материалы, полученные методами порошковой металлургии).

Методы повышения точности и воспроизводимости результатов. Их можно условно разбить на две группы: методы, связанные с выбором режима обработки, управления импульсом (длительность и форма импульса), способа обработки (многоимпульсная обработка, обработка в цилиндрической световой трубке) и т. д.; методы, применяющие различные способы калибровки полученных отверстий, химическое травление, продувку отверстий сжатым газом и т.д.

Один из наиболее эффективных методов повышения точности и воспроизводимости результатов получения отверстий с помощью луча лазера -- использование многоимпульсной обработки (МИО). Сущность ее в том, что отверстие формируется не одним импульсом, а серией одинаковых импульсов с определенной энергией и длительностью, действие которых доводит размеры отверстия до необходимого. Этот процесс в определенной степени аналогичен процессам электроэрозионной обработки.

Толщина снимаемого каждым импульсом слоя может быть весьма малой. Поэтому при получении отверстий глубиной в 1 мм и более наличие жидкой фазы в меньшей степени сказывается на искажении формы отверстия, чем при действии одного импульса.

Особенностью МИО является то, что характерный размер зоны термического влияния определяется длительностью отдельного короткого импульса, поскольку период следования импульсов значительно больше времени остывания материала. Поэтому с помощью МИО можно получать отверстия в хрупких материалах без их раскалывания.

Способ используется для решения двух различных технологических задач: получения максимально глубоких отверстий без жестких требований к их точности (не выше 3-го класса) и форме; получения прецизионных отверстий (не ниже 2-го класса).

Число импульсов в серии при МИО обычно близко к 10. Дело в том, что эффективность удаления вещества с ростом числа импульсов падает. При обработке без ЦСТ это связано с уменьшением плотности потока излучения при углублении отверстия. Опыты и расчеты показывают, что при использовании МИО можно увеличить глубину отверстия по сравнению с обработкой одним импульсом в несколько раз. Углубить отверстие при МИО можно, смещая в процессе обработки фокус линзы в глубь образца: удается получать отверстия с отношением глубины к диаметру равным 25 и более.

Лазерное разделение материалов. Процессы разделения материалов можно считать одной из наиболее перспективных областей для применения лазеров большой мощности с непрерывной генерацией. Дело в том, что резка тонколистовых высокопрочных стальных материалов механическими способами -- малоэффективный и трудоемкий процесс, особенно при мелкосерийном производстве деталей сложной конфигурации. Использование для этих же целей известных термических способов (кислородная резка, плазменная резка) неэффективно из-за крайне низкого качества кромок реза, большой зоны термического влияния и значительных термических деформаций. Не случайно за рубежом лазерная резка по числу патентов стоит на одном из первых мест среди технологических процессов.

Для резки материалов обычно используются лазеры на СО₂ и на алюмоиттриевом гранате. У С0₂-лазеров высокий КПД (15%); кроме того, излучение на длине волны 10,6 мкм поглощается большим числом материалов, включая металлические окислы, стекла, керамику, кварц, естественные органические материалы (дерево, кожа и др.), синтетику, пластики и т. д. Процесс легко автоматизируется для получения фигурных контуров разреза.

Для термораскалывания необходимо создать в объеме материала при поглощении лазерного излучения термические напряжения и микротрещины. Затем материал разламывается по линии действия теплового источника. Метод в какой-то мере аналогичен методу резки стекол или других хрупких материалов алмазным инструментом с последующим приложением механического усилия для разлома.

Остановимся более подробно на лазерной резке. Как известно, действие излучения на поверхность разрезаемой детали приводит к образованию теплового источника. Он нагревает материал до температуры плавления и выше, что формирует зону плавления. Перемещение источника тепла вдоль предполагаемой линии разделения и удаление расплава газовой струей формирует зону лазерной резки.

Лазерная резка возможна, если плотность потока излучения, поглощаемого поверхностью вещества, превышает критическое значение для достижения температуры, несколько превышающей температуру плавления данного материала за время, в течение которого диаметр луча лазера пересечет данную точку на поверхности детали. Очевидно, что это время зависит от скорости движения теплового источника, оно тем короче, чем выше эта скорость.

При резке металлов, как, впрочем, и других мате риалов, используется схема с подачей соосно лазерному излучению потока газовой струи. Метод разделения материалов, предложенный в 1967 г., получил название газолазерной резки. Струя газа через специальное сопло подается в зону резки и выполняет несколько функций. Если режутся легко воспламеняющиеся материалы (дерево, картон, текстильные материалы, кожа), содержащие органические вещества, то применяется нейтральный газ, например аргон, который препятствует их загоранию и способствует удалению продуктов разложения из зоны реза. Еще чаще используется азот, как более дешевый.

Для металлов, напротив, подают воздух или кислород, которые инициируют химическую реакцию окисления и способствуют удалению расплава со стенок реза. Процесс газолазерной резки с применением кислорода аналогичен кислородно-ацетиленовой резке, в которой экзотермическая химическая реакция также используется как источник значительной части энергии. Сфокусированное излучение лазера заменяет кислородно-ацетиленовое пламя в качестве источника тепла для нагревания металла до температуры, при которой химическая реакция начинает протекать весьма бурно. Лазерный луч -- тепловой источник с более высокой концентрацией энергии, что уменьшает ширину реза, размеры зоны термического влияния, но дает более высокую скорость резки по сравнению с любым другим способом.

Одна из важных областей применения лазерного метода разделения материалов -- скрайбирование. Быстро растущие объемы производства интегральных схем (ИС) и больших интегральных схем (БИС) требуют создания оборудования высокой производительности для разделения полупроводниковых пластин на кристаллы. Следует подчеркнуть, что высокая степень автоматизации последующих операций сборки ИС и БИС ужесточает ряд качественных требований к операции разделения: точности размеров кристаллов, прямоугольности геометрической формы, отсутствия сколов на боковых гранях и т. д.

Сущность лазерного скрайбирования -- в создании по линии предполагаемого разлома канавки в материале, формируемой воздействием отдельных лазерных импульсов малой длительности 10^-8с и с большой плотностью потока, достигающей 10⁹ Вт/см². Малая длительность импульса излучения не позволяет испарить большой объем вещества. Увеличивать же плотность потока выше 10⁹ Вт/см² нецелесообразно из-за развития взрывных процессов на поверхности разрезаемого полупроводника и генерирования в его объем ударной волны (что приводит к образованию дефектов, снижающих качество края реза). Наложение отдельных, частично перекрывающихся лунок при перемещении луча образует скрайберный рез.

Для скрайбирования используют лазеры на алюмоиттриевом гранате, легированном неодимом. Пороговая мощность, при которой начинается испарение материала, определяется температурой плавления, коэффициентами теплопроводности и поглощения.

Лазерный скрайбер, используемый для разделения полупроводниковых пластин на отдельные кристаллы, состоит из трех основных частей: лазера с высоковольтным блоком питания, оптической системы фокусировки и визуального наблюдения за зоной обработки и системы координатных перемещений.

Частота следования отдельных импульсов достаточно велика (до 50 кГц), что позволяет получить скрайберный рез на больших скоростях. Глубина реза достигает 15--50 мкм при ширине до 25--30 мкм. При лазерном скрайбировании высокое качество разделения обеспечивается при глубине скрайбирования не менее ј толщины пластины, когда скорость скрайбирования становится значительно ниже максимально возможной. Определенной технологической проблемой при лазерном скрайбировании является защита пластины от конденсатов полупроводникового материала и очистка ее от них. Существует несколько вариантов решения этой проблемы: вакуумный отсос, погружение пластин в деионизованную воду, размещение над пластиной прозрачной эластичной ленты с хорошей адгезией к испаренным частицам и др.

Лазерно-плазменная обработка. Химико-термическая обработка материалов связана с инициированием поверхностной химической реакции при повышении температуры подложки, например реакции окисления.

Самостоятельный характер у лазерной обработки материалов в различных газах при повышенных и даже высоких давлениях, когда воздействие излучения сопровождается оптическим пробоем газа вблизи поверхности и образованием плазменного сгустка, взаимодействующего, с одной стороны, с лазерным излучением, а с другой -- с поверхностью мишени. Обработка материалов лазерным лучом в таких условиях получила название лазерно-плазменной обработки. Она отличается от химико-термической наличием вблизи поверхности обрабатываемой мишени плазменного сгустка, роль которого в ряде процессов при изменении свойств поверхностного слоя вещества оказывается определяющей.

Обычная схема лазерно-плазменных процессов такова. Обрабатываемое изделие -- пластина, стержень или другая геометрическая конфигурация -- помещается в камеру, наполняемую газом (например, азотом, углекислым газом или другим) при повышенном или высоком давлении. Излучение лазера через окно в стенке камеры вводится в ее объем и с помощью оптической системы, находящейся внутри камеры, фокусируется на поверхности мишени. Мишень может перемещаться внутри камеры с помощью микродвигателей, что допускает многовариантность процесса и возможность обработки серии изделий, помещенных в обоймы кассеты. Возможны варианты лазерно-плазменной обработки и без камеры высокого давления, когда на поверхность изделия подается струя газа, который вблизи поверхности «пробивается» оптическим излучением, например излучением СО2-лазера.

Совместное действие лазерного излучения и плазменного сгустка из частиц окружающего мишень газа приводит к направленному изменению поверхностных свойств вещества мишени. Меняется газонасыщение поверхностного слоя вещества, например, при лазерно-плазменной обработке в атмосфере азота стальной пластины. Причем изменение микротвердости, в зависимости от давления азота, коррелируется с изменением газосодержания.

Интересно проследить за ролью давления окружающего обрабатываемую деталь газа при лазерно-плазменной обработке. Рассмотрим это на примере лазерно-плазменной обработки: пластины из молибдена толщиной 2 мм в атмосфере азота. Если давление газа в камере не превышает 10--20 атм., то в мишени за время продолжительности импульса 1 мс при удельной мощности 10⁷ Вт/см² образуется сквозное отверстие. При тех же условиях и давлении - 100 атм. поверхность мишени даже не плавится, а только обожжена. Таким образом, контролируемое изменение давления и газа дает в руки технологов дополнительный параметр, изменял который можно изменять характер воздействия лазерного излучения на вещество.

Следует подчеркнуть, что наличие газовой атмосферы приводит к качественно новым результатам. Так, с помощью лазерно-плазменной обработки можно производить локальное упрочнение участков на поверхности материалов, в том числе таких, которые не упрочняются обычной лазерной (или иной) термообработкой на воздухе.

Подбор вещества мишени, газа и давления сто позволяет синтезировать соединения, например, такие, как нитриды металлов, карбиды и другие вещества, восстанавливать окислы тугоплавких металлов (в атмосфере водорода или метана) или создавать в локальной зоне контролируемые слои окислов.

Лазерная металлургия. Производство металлов с различными физическими свойствами и различного назначения -- одна из фундаментальных задач современной промышленности. Потенциальные возможности применения лазеров в металлургии связаны с высокой мощностью непрерывного излучения, локальностью воздействия и определенной универсальностью их как тепловых источников. Эффективность использования лазеров в металлургии связана, по сути дела, с теми же процессами, с которых начинались первые опыты по применению генераторов низкотемпературной плазмы: получение тугоплавких металлов при восстановлении окислов, синтез порошков и композиционных материалов.

Классическим, если можно так выразиться, возможным применением мощных непрерывных лазеров в металлургии может оказаться использование их как высоколокальных источников нагрева. Приведем некоторые примеры возможного применения.

Аналогично плазменным процессам или процессам при использовании сфокусированного солнечного излучения возможен переплав тугоплавких металлов или высокотемпературных керамик -- рафинирование материалов и улучшение их эксплуатационных свойств. Преимуществами переплава с использованием излучения лазера могут быть высокие температуры при относительно небольшой мощности, гибкость в управлении плотностью потока, что в меньшей степени доступно другим методам нагрева, исключая электронный луч, а также возможность проведения процесса в широком интервале давлений окружающей среды. Правда, при высоких давлениях следует считаться с возможностью экранирования зоны воздействия образующимся плазменным облаком. Тогда обработка станет лазерно-плазменной.

Лазерное излучение как источник локального нагрева может использоваться для создания и поддержания ванны при выращивании из расплава полупроводниковых материалов. В этом случае возможны различные технические схемы решения.

В технологии полупроводниковых материалов широко используется зонная очистка, или зонная перекристаллизация, с помощью перемещения расплавленной зоны по длине слитка. Лазерное излучение может быть использовано для создания расплавленной зоны. Ряд работ в этом направлении уже выполнен. Преимуществом перед индукционным нагревом, обычно используемым для создания зоны расплава, является более узкая тепловая зона, а перед электронно-лучевым нагревом - более дешевое оборудование, а также возможность использования газовой атмосферы в процессе, что может быть важным, если необходимо сохранить в веществе легколетучие примеси. Отметим, что электронно-лучевое плавление производится в вакууме 10^-5--10^-6 мм рт. ст. Оптимальность процесса и его экономическая целесообразность обусловливаются в существенной степени Оптическими характеристиками веществ. В литературе, в частности, описана установка для выращивания кристаллов ниобата бария и стронция, в которой для создания зоны нагрева используется лазер на СО₂.

Перспективными процессами, которые практически не рассматривались в технической литературе, могут быть, восстановительные процессы, инициируемые в лазерной плазме. В определенной зоне реактора движущегося газа (например, газа восстановителя) образуется оптический пробой, создается плазменное облако, которое поддерживается непрерывным лазерным излучением; в него вводится дисперсная фаза вещества, которое обрабатывается в лазерной плазме. Такая схема близка к струйно-плазменным процессам и сейчас используется в плазменных технологиях для восстановления окислов и синтез веществ в низкотемпературной дуговой или ВЧ-плазме. Лазерная плазма может иметь более высокую температуру, как мы уже отмечали, что в ряде случаев термодинамически выгоднее. Кроме того, процесс можно проводить при более высоких давлениях, управление им более гибко.

3.3 ЛАЗЕРЫ В АВИАЦИИ

Лазерные системы управления оружием. Использование лазеров в системах наведения ракет и бомб является, по данным зарубежной печати, одной из наиболее широко распространенных областей применения лазерных средств, наряду с лазерными дальномерами.

Одной из побудительных причин интенсивного внедрения лазеров в системы наведения оружия явилась низкая эффективность применения стандартных боеприпасов для поражения рассредоточенных и постоянно маневрирующих наземных объектов.

Со времени окончания второй мировой войны появление оружия с лазерными системами было одним из наиболее важных шагов в области повышения точности поражения наземных целей авиационным оружием.

Точность наведения лазерных бомб проверялась авиацией США в боевых действиях в Лаосе, Вьетнаме, на Ближнем Востоке. За время боевых действий в Юго-Восточной Азии сброшено более 18000 бомб с лазерной системой наведения, 80% из них имели прямое попадание. По заявлениям специалистов министерства обороны США, применение бомб с лазерной системой наведения позволило повысить точность бомбометания на порядок, что обеспечило резкое сокращение наряда сил для поражения наземных объектов. Лазерная полуактивная система наведения состоит из лазерного целеуказателя (лазерной системы подсвета цели) и боеприпаса с лазерной головкой самонаведения.

Принцип работы лазерной полуактивной системы наведения состоит в следующем: цель облучается лучом лазера, работающего, как правило, в импульсном режиме; отраженная от цели энергия лазерного излучения воспринимается позиционно-чувствительным фотоприемником головки самонаведения боеприпаса, после соответствующего преобразования и обработки на выходе координатора вырабатывается сигнал управления, который подается на исполнительные механизмы.

В зависимости от расположения целеуказателя лазерные полуактивные системы можно разделить на два типа:

- Полуактивные системы наведения, в которых подсвет цели осуществляется с борта ударного самолета.

- Полуактивные системы наведения, у которых подсвет цели осуществляется либо с борта другого специального летательного аппарата, либо с наземного пункта (передового поста наблюдения).

Известно, что основную долю в суммарную ошибку стрельбы вносят ошибки в измерении координат цели, одной из которых является ошибка в измерении дальности. Поэтому увеличение точности измерения дальности до цели позволяет частично решить проблему уменьшения суммарной ошибки стрельбы и, следовательно, увеличивается вероятность поражения цели. Существенное повышение точности измерения дальности до цели с борта самолета позволяют осуществить авиационные лазерные дальномеры, действующие по принципу радиодальномеров, но отличающиеся от них высокой направленностью излучения и точностью.

Лазерные системы воздушной разведки. Принцип действия лазерной системы воздушной разведки заключается в следующем. Разведываемая местность вместе с объектами разведки освещается лазерным излучением. Отраженное от поверхности Земли (подстилающей поверхности и объектов разведки) лазерное излучение собирается приемной оптикой и направляется на фоточувствительный слой приемника. Фотоприемник преобразует отраженное от поверхности Земли излучение в электрический сигнал, промодулированный по амплитуде с учетом распределения яркости. В лазерных системах используется линейное сканирование. По принципу действия такие системы близки к однострочным телевизионным системам.

Узконаправленный луч лазера специальным устройством развертывается перпендикулярно направлению полета самолета. Одновременно с лучом лазера сканирует и диаграмма направленности приемника. Благодаря этому формируется строка изображения. Развертка по кадру осуществляется за счет движения летательного аппарата. Изображение местности в лазерных системах разведки может регистрироваться на фотопленку, информация при этом будет представляться с запаздыванием, но может воспроизводиться и на экране электронно-лучевой трубки в реальном масштабе времени.

Для регистрации изображения разведываемой местности на фотопленку в лазерную систему входят: лазер, работающий в режиме непрерывного излучения, сканирующее устройство, объектив, фотоприемник, усилитель, устройство регистрации информации, состоящее из модулятора, фотографической пленки и лентопротяжного механизма.

Лазер предназначен для облучения разведываемой местности и объектов разведки. Для систем разведки с линейным сканированием необходимы лазеры со средней мощностью не менее 100 Вт. Длина волны излучения лазера должна совпадать с окном прозрачности атмосферы и лежать в области максимальной контрастности объектов разведки и фонов. Поскольку характеристики отражения целей и фонов зависят от длины волны, то ведутся разработки многоспектральных лазерных систем воздушной разведки.

3.4 ЛАЗЕРЫ В ИССЛЕДОВАНИИ АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА

Основное средство для исследований или мониторинга - лидары - созданы с использованием лазеров. Они позволяют получать профили тех или иных параметров, скажем, в атмосфере - влажности, концентрации аэрозолей, а также температуры, скорости и направления ветра и др. Дело в том, что, распространяясь в среде, лазерный луч взаимодействует с ее составом, например, его излучение рассеивается аэрозолями во все стороны по известным законам. Часть этого излучения, возвращенную назад, и регистрирует лидар. Зарегистрированный им профиль сигнала после специальной обработки позволяет судить, допустим, о концентрации молекул водяного пара или влажности и иной информации.

Лидары состоят из лазера, приемного зеркала и электронного блока для обработки принятых сигналов. Все это может находиться стационарно на земле, на автомобиле, на борту корабля или самолета, а также на космическом носителе. Разработаны и внедрены в практику уникальные комплексы аппаратуры, в том числе не имеющие аналогов лидары для зондирования атмосферы, лазерные навигационные системы для посадки самолетов, проводки судов при отсутствии видимости стандартных маяков, лазеры на парах металлов, лазерные спектрометры высокого и сверхвысокого разрешения, лазерные газоанализаторы, обеспечивающие конценрационную чувствительность в тысячу и более раз выше, чем стандартные методы спектрального анализа и т.д.

В результате многолетних систематических экспериментальных и теоретических исследований в Институте оптики атмосферы СО РАН создан и применен на практике поляризационный мобильный аэрозольный лидар ЛОЗА-3 для исследования оптико-физического состояния нижних слоев атмосферы (на горизонтальных и наклонных трассах), в частности для определения наклонной дальности видимости в аэропортах, а также дистанционного контроля запыленности воздушного бассейна индустриальных центров. В отличие от традиционных приборов, он позволяет изучать оптические характеристики атмосферы оперативно и в любом направлении полусферы.

На основе обширного класса нелинейных и когерентных оптических эффектов предложены новые, более эффективные методы зондирования. Они реализованы в таких основных аппаратурных разработках, как спектрохимический лидар для дистанционного экспресс-анализа вещества аэрозолей и подстилающей поверхности по эммисионным спектрам лазерной искры. Создан также оптико-аккустический локатор для измерения метеопараметров атмосферы.

С освоением солнечно-слепого ультрафиолетового диапазона спектра появилась возможность создания помехозащищенных устройств лазерного зондирования. Первым таким прибором стал лидар, основанный на комбинированном рассеянии излучения, с лазером на молекулах соединения криптона и фтора. Он определяет газовые микропримеси в атмосфере с концентрацией на уровне 10^-5 атм. на дистанциях от 1 км в любое время суток. А для изучения влажности предназначен уникальный автоматизированный лидар «Диалог», с помощью которого впервые в мире осуществлено определение высотного профиля водяного пара ( до 10 км).

3.5 ЛАЗЕРЫ В МЕДИЦИНЕ

С первых дней создания оптических квантовых генераторов (1960) они вызвали огромный интерес у биологов и врачей. Получение большой мощности излучения на очень маленькой площади позволяет применять световой луч лазера в офтальмологии, хирургии, нейрохирургии, стоматологии и отоларингологии и других областях медицины.

Офтальмология. Особенно широкое применение излучение оптических квантовых генераторов получило в офтальмологической практике, где оно успешно используется для безоперационного лечения отслойки сетчатой оболочки и некоторых других патологических изменений глаз. Н. Г. Басов (1967), один из создателей оптических квантовых генераторов, отмечает, что в ряде клиник и институтов Академии медицинских наук освоена методика «приваривания» отслоившейся сетчатки к глазному дну строго дозированной вспышкой лазерного излучения. Больной даже не успевает увидеть и почувствовать эту вспышку -- настолько она кратковременна. Эти операции постепенно становятся обычными. Лазер дает в руки хирургов совершенно уникальный «бескровный нож», которым можно делать операции на паренхиматозных органах. Дело в том, что, продвигаясь вглубь ткани, луч лазера одновременно как бы «заваривает» все капиллярные кровеносные сосуды.

Ряд отечественных и зарубежных авторов отмечают, что основанием для применения излучения лазером в офтальмологии послужил уже применявшийся в течение многих лет метод фотокоагуляции при лечении некоторых глазных заболеваний.

Известно, что интенсивное воздействие на открытый глаз инфракрасными лучами, сфокусированными на глазное дно и направленными на определенный его участок, вызывает термические повреждения сетчатки, ее ожог с последующим развитием некроза. Нa этом принципе был основан метод лечения фотокоагуляцией отслойки сетчатки. Этот метод в настоящее время широко применяется в офтальмологической практике. Показаниями к лечебному применению фотокоагуляци являются: макулярные разрывы сетчатки, периферические ее разрывы без отслойки сетчатки, ангиомы сетчатки, перифлебит сетчатки, периферические опухоли сетчатки, наружные заболевания коньюктивы, кожи век и др.

Хирургия. Несмотря на значительные достижения современной хирургии, техника хирургических вмешательств продолжает нуждаться в дальнейшем совершенствовании. В частности, хирурги постоянно и настойчиво ищут более щадящие и безопасные способы и новые принципы рассечения тканей, разрабатывают методы «бескровных операций», обеспечивающие минимальное кровотечение и кровопотерю, особенно при операциях, при которых остановка кровотечения до сих пор является далеко не решенной проблемой. Как известно, кровотечение и кровопотеря особенно опасны при операциях у лиц с пониженной свертываемостью крови (гемофилия, лучевая болезнь и др.). В борьбе с кровотечением и кровопотерей большие надежды в последние годы возлагаются на операции с помощью сфокусированного луча лазера или лазерного скальпеля.

По понятным причинам возможность использования лазерного луча в качестве нового и своеобразного режущего инструмента представляет определенный интерес для ряда хирургических специальностей. Не удивительно, что именно этому аспекту применения лазеров в медицине уделяется большое внимание.

Применение лазерного скальпеля для рассечения различных тканей и органов основано главным образом на термическом эффекте воздействия на биологические объекты лазерного излучения непрерывного действия: углекислотного (длина волны 10,6 мкм), аргонового (длина волны 0,4880 и 0,5145 мкм) и др. В технике оперативных вмешательств применяются специальные лазерные хирургические установки.

Нейрохирургия. Весьма эффективным оказалось использование лазерного скальпеля в нейрохирургической практике. Ф. Хепнер и П. Ашер (1978) произвели с помощью лазерной установки «Шарплан 791», работающей на основе СО₂, оперативные вмешательства у 127 больных по поводу менингиом, астроцитом, нейрином, метастазов злокачественных опухолей в мозг, кровоточащих кистозных образований, экстрамедуллярных опухолей спинного мозга и др. Достаточно большой объем клинических наблюдений позволил авторам наметить пути использования лазерного излучения в нейрохирургии. Были отмечены очень важные для нейрохирургов положительные качества лазерного скальпеля: высокая топографическая точность разрезов, особенно при сочетании лазера с операционным микроскопом, и коагулирующая способность лазерного луча. Максимальная выходная мощность лазерной установки составляла 50 Вт. Воздействие расфокусированным лучом лазера при оперативных вмешательствах позволяло быстро коагулировать ткань и останавливать кровотечения.

Первые клинические наблюдения по использованию лазерного излучения в нейрохирургии показали перспективность этого метода при оперативных вмешательствах. Весьма необходимо в настоящее время проведение комплекса экспериментальных разработок по созданию специальных лазерных установок для нейрохирургических целей и обучение специалистов-нейрохирургов работе с лазерными установками