Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 80
Текст из файла (страница 80)
Такие установки, как правило, управляются от ЭВМ и программируются на основе ЧПУ (рис. 23.5). Лазерное излучение подается через силовую головку на инструмент, который фокусирует пучок и содержит обычно чувствительный элемент для настройки расстояния между линзой и заготовкой. Поток газа препятствует конденсации испаряющегося вещества на линзе. Такой технологический процесс неизбежно сопровождается образованием пара и пыли, которые отсасываются, отфильтровываются и соответствующим образом утилизируются. Рабочая операция обычно протекает в кабине со смотровым окном, так что обслуживающий персонал не подвержен вредному действию отраженных лучей лазера. 1оо ао й о. Ф н 60 о 40 б гт.г.а .г гг г .р,, таогг х 5 л 5 и 4 о е о 5 о б Лазеры для обработки материалов Г((З82 раааа 2 1.
Области аричеиеиал и ьерсиекаиты ра тития зазерал х -.зр СОз-лазер до сих пор является важнейшич источником излу"зения при обработке материалов. Это обьяснястся значительным коэффициснзоч полезнонз действия 1вьипе 1О %), болыпой выходной монгностькз 1ло 1ОО кВг в лабора1орных условиях) высокой належностью и.юлгим сроком службы лазерных установок такого типа Излучение наводится зеркалачи на гаго гогзку и с помогдью линзы в силовой ~ о нзвке фокусируется на требхемом диаметре.
К сожаленинз, инфракрасное 1О мкм-излучение СО,-лазеров пока егде не удается должным образоч проводит), по пзбким волокнам г е 23.2. Лаэерэяая обуэгэгэоткалэаглериаэгэа 383)) ~ технике лля сверления крошечных отверстии в камнях механических часов и эшя пайки тонких проволочек в электронике. ! !о по мере распространения эгаэсрной эехники ее стали успешно привлекать и лля обработки более кругтных заготовок — в частное~и, в автомобилесэ роении. Резка.
При лазерной резке листовгно металла, например, аля корпусов машин и т и., материал дояолится ло расплавленного состояния, после сеэ о хгилкое вешескво вы ~алкээваегся сгруей ~ аза. При ийпользовдгээггт кислорола скорость резания (~(ЗВ4 !лава 23. Области прнтенения и перспективы ризвипаялазерав 23.2.
~7изергювобраболгка.наглгриатв Зва )))) показывает иную (более мелкозернистую) кристаллнческук1 структуру (рис. 23.8а). Чтобы заготовка не стала слишком хрупкой или не покоробилась. указанное преобра ювание не должно уходить далеко вглубь поверхности. Е(еобходиыое для этой цели локализованное нагревание материала замечательно дос <игается с помощью лазера.
в чем и состоиз особое лостоинсзво это~о способа. Среди прочих обласзей применения лазерного излучения можно назвать закалку шестерен или клапанов внугренних стенок цилиндров двигателеи внутрешзего сгорания. Пои высо(сиз (ЗВЬ»,гб О», „», »„, „,р, ц лишь несколько примеров. Так, достаточно широко распространен лазерный отжиг дефектов кристалла, вызываемых «ионными имплантациями». При таком способе требуемые атомы легирующей примеси включаются в полупроводниковый кристалл в виде ионов, причем одновременно возникают нежелательные дефекты решетки. Они подвергаются отжигу под действием нагрева, инициируемого лазерным излучением. С помощью лазерного луча можно также наносить на поверхности полупроводников разные слои.
С этой целью осаждаемый металл или специальный полупроводниковый материал вводится в газообразное соединение, которое под действием лазерных лучей разлагается на поверхности полупроводника, образуя желаемый слой. Особое преимущество этого способа состоит в том, что посредством фокусированного излучения на поверхности можно создавать печатные проводники и прочие двухмерные структуры. К стандартным способам структурирования полупроводниковых поверхностей относится фотолитография.
При этом на поверхность наносится фоточувствительный резист, который затем экспонируется вместе с изготовляемой структурой. В процессе химического проявления элементы фоторезиста вновь удаляются. Свободные части полупроводниковой поверхности можно теперь подвергать травлению, химическому легированию, металлизации либо покрывать другими материалами, получая за несколько этапов нужные комплексные структуры для интегральных схем. Топологический размер элемента структуры у интегральных схем задается длинами волн используемого для экспонирования излучения. Ранее применялись, главным образом, ртутные лампы с длиной волны около 250 нм.
Для уменьшения размеров структуры с целью повышения плотности монтажа интегральной схемы стали привлекать лазеры на эксимере с его коротковолновой областью. Перспективы развития в этом направлении оцениваются по-разному, и пока трудно судить, вытеснят ли лазерные способы альтернативные технологии — электронную и рентгеновскую литографию или хотя бы, в последние годы, впрочем, значительно усовершенствованную, традиционную литографию. В области производства электроники уже почти утвердились лазерные способы скрайбирования и разделения полупроводниковых чипов, производимых к большом количестве на кремниевой подложке или кристаплической пластине диаметром в несколько сантиметров.
Также пайка и подгонка резисторов путем съема материала с помощью лазеров давно уже стали рутинным делом. Будущие технологии лазерной обработки материалов. Обработка материалов лазерным излучением является технологией с интересными перспективами и богатыми возможностями роста. Чтобы в полной мере использовать предлагаемые преимущества, производимый продукт и технологическая установка должны максимально соответствовать друг другу.
Подходящие для лазерной обработки конструкции, материалы и способы регулирования в режиме оп-!те играют здесь гораздо более важную роль по сравнению с альтернативными технологиями— электронными, плазменными и водоструйными. Новые области применения появляются в результате использования специальных эффектов; к таковым относятся, например, съем материала без теплового гз.1 л ..~н, .Ьр, звД~з~ воздействия на окружающую среду методом фотоабляции, микроструктурирование полупроводниковых элементов на основе инициированной лазерным излучением модификации кристалла, нанесение покрытий на поверхности или изготовление печатных проводников.
Особый прогресс ожидается в связи с развитием диодных лазеров высокой мощности. Когда появятся компактные, эффективные и доступные по цене источники излучения, объем экономически целесообразных применений лазеров в производственной сфере резко возрастет. Разнообразные способы обработки материалов и возможность точного управления лазерным пучком относят лазер к разряду непревзойденных инструментов для гибкого автоматизированного производства. 23.3.
Лазеры в медицине Лазеры успешно используются в медицине — как диагностике, так и для терапевтических целей. Диагностические методы на основе голографической интерферометрии, спектроскопии, лазерном доплеровском измерении скорости в значительной мере соответствуют методикам в других областях применения. С точки зрения хирургии, интерес представляет, прежде всего, тепловое действие лазерного излучения (рис. 23.9). При облучении ткани лазером в результате поглощения излучения происходит повышение ее температуры.
При температуре примерно 60 'С происходит свертывание белка, при 100 'С из ткани испаряется вода, а при дальнейшем повышении температуры ткань обугливается. Эти этапы воздействия на биологический материал могут использоваться в хирургии для разных целей: запустевания, удаления, отрезания. Повышение температуры и объем облучения зависят от вида ткани (учитывается показатель поглощения и удельная теплопроводность) и от типа лазера (его длины волны и плотности потока энергии).
Обладая высокой точностью, лазерная хирургия дает преимущество бесконтактного асептического вмешательства и возможность — в случае сильно кровоточащих тканей — почти бескровного разрезания благодаря закупорке сосудов на основе коагуляции. Таким образом„тепловые эффекты можно классифицировать на уровне коагуляции и выпаривания. Наряду с тепловым воздействием лазерного излучения на ткани существуют (с учетом длительности облучения и спектральной плотности мощности) и разные другие механизмы, широко применяемые в медицине (рис. 23.9).
Для фотоабляции (отслойкн ткани) требуются, например, короткие импульсы высокой мощности. Эффект наступает, когда глубина проникновения луча в ткань находится в области микрометров, а длительность импульсов столь коротка, что никакой значимой теплопроводности в этот момент не отмечается. Согласно уравнению (23.1) может оцениваться длительность импульса, при которой теплопроводность ничтожно мала.
С этой целью для е( выбирается глубина проникновения излучения. Следовательно, при фотоабляции ткань отслаивается под действием коротких импульсов — без термического повреждения окружающей ткани в результате теплопроводности. Для выполнения этой процедуры успешно используют лазеры на эксимере (АгГ ХеС1) в УФ диапазоне и 3 мкм-лазеры (на эрбии) в ИК диапазоне.
В ультрафиолетовой области спектра отслоение может осуществляться путем прямого разрушения химических соединений. ~~3ВВ Г рр. лл р р р р На рис. 23.10 показано удаление отложений в кровеносных сосудах, так называемое обызвествление артерий (ангиопластика). При этом лазерный луч с помощью катетера и стекловолокна вводится в артерию и производит съем отложений. Фотоабляция находит применением также в фоторефрактивной хирургии роговицы. С помощью лазера на эксимере удается путем соответствующего съема так изменить кривизну роговицы, что пациент сможет обходиться без очков. Лазер весьма популярен и в стоматологии: его применяют для сверления при лечении кариеса зубов.
1о18 М 1012 рр оз 108 и 104 о с с О 1О ция 10- 12 1о-э 1о-8 10-3 1ао 103 1аб длительность облучения,сек. Рас. 23зк Величины плотности мощности и длительности импульсов при использовании лазеров в медицине Лазерныйлуч ь Отложение Нога пациента Рис. 23.10.
Удаление отложений в артериях с помощью лазерного луча При дальнейшем повышении мощности и укорочении длительности импульсов в ткани происходит оптическая перфорация, именуемая фотодисрупцией. В офтальмологии такой эффект применяют для разрушения мутной пленки вторичной ззлл г д ч зВ~9) катаракты, а в урологии — для раздробления камней в почках и мочевом пузыре (литотрипсия). тип лазера, режим генерации Длина волны (мкм), мошность (Вт) Свойства, действие, эффекты Применение 0,197, 0,308 энергия ГО мДж 0,488, 0,514 1 — 2 нелинейные эффекты фотоабляция Лазер на эксимере (АгЕ ХеС1) импульсныи режим Офтальмология (рогоаица), микрохирургия, ангиопластика Аг-ь удельная абсорбция гемоглобина имеланина коагуляпия Офтальмология непрерывный режим Лазер на Мф ИАГ (КГР) - с уляоенной частотой импульсный, каазинепрерыеный Лазер на красителе 0,53, 15 как Аг-ь лазер Хирургия, ЛОР дерматология 0,488 — 0,788 удельная абсорбция хром офор каагуляция, фстохимия коагуляция НРО-абсорбция фотокимия фотолисрупция Дерматология, онкология непрерыеный, импульсны" непрерывны" 5 0,627 1 0,69 )Дж 0,7 — 0,8 Ац-лазер каазинепрерыаны Руби ноаый лаыр импульсный Фотодинамическа» терапия опухолей Косметическая медицина как руби но» ы й лазер Лазер на александрите как рубиновый лазер Диодный лазер непрерыаный, импучьсны Лазер на Кбз ИАГ непрерыаный около 0,8 30 объемная абсорбция коагуляпия как непрерывны' НО' ИАГ 1,06 1ОО объемная абсорбция коагуляция 1,06 Лазер на НО ИАГ оптомеханические эффекты фотолисрупция 1 М Вт на им пульс 2 импульсны Но-лазер сильное аодопоглошение испарение 20 каазиимпульсны 2,9 Ег-лазер импульсный, каазинепреры оченьсильное аодопоглошение фотоабляция энергия)0 мдж 10,6 30(100) Хирургия,урологи», дерматология, гинекология, ЛОР нейрохирургия, лице»а» хирургия Соглазер нейрерыанмй импульсный сильное аодопоглошение резка Интересный фотохимический эффект находит применение в так называемой фотодинамической терапии опухолей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
