Классификация лазеров

Основным элементом любой лазерной технологической установки является лазерный излучатель. Современная электронная промышленность использует огромное количество лазеров различных конструкций и назначения. Классифицируют лазеры по различным признакам.

1. В зависимости от агрегатного состояния активной среды ТЛ подразделяются на газовые жидкостные и твердотельные.

2. По методу накачки: газоразрядные, газодинамические, химические, оптические, инжекционные.

3. По временному режиму работы: непрерывные, импульсные, периодические, импульсно-периодические.

4. По частотному режиму генерации: одномодовые, многомодовые, одночастотные.

5. По уровню выходной мощности (энергии): уровню потребляемой мощности, КПД, массогабаритным характеристикам и т. д.

Соответственно технологическими требованиями созданы следующие типы лазеров: лазеры для точечных сварок и сверлений, которые в течение нескольких миллисекунд сообщают изделию определенное количество энергии (импульсный лазер); лазеры для процессов резки, создающие непрерывное излучение (W-лазер); лазеры для упомянутых выше ТП напыления, которые в течение нескольких наносекунд с очень большой мощностью сообщают изделию определенное количество энергии, благодаря чему возникает только самопроизвольное испарение материала без остатка расплавленного вещества (Q-Switch- лазер). Для реализации технологических процессов используют три основных группы излучателей (лазеров).

К первой группе лазерных излучателей относятся мощные газовые лазеры с электрической накачкой, которые создают непрерывное воздействие луча наподобие электрической дуги. Для технологических лазеров достижима мощность порядка 10,0 кВт в импульсном периодическом режиме с частотой повторения импульсов до 100,0 кГц и энергией импульса 10 Дж. Длина волны излучения 10,6 мкм. КПД- до 15%. Основной недостаток - высокое напряжение возбуждения- 3,0…6,0 кВт и система прокачки газа (для газодинамических систем).

He-Ne-газовый лазер (длина волны 0,63 мкм), дешевый, хорошо освоенный, но из-за малой мощности (1-100 мВт) пригоден только для отдельных процессов микроэлектроники.

Аргонный газовый лазер: длина волны 0,43 мкм, мощность 1-10 Вт, дорогой и неудобный.

Рисунок 4.1 – Типовая схема лазерной технологической установки.

1-излучатель, 2 - лазерное излучение, 3 - устройство контроля за лазерным излучением, 4 – источник питания излучателя, 5 – устройство дозирования энергии, 6 – датчик контроля за лазерным излучением, 7 – оптическая система визуального контроля ТП, 8 – обрабатываемый объект, 9 – координатный стол, 10 – микроЭВМ для управления координатным столом, 11 – датчик контроля параметров поверхности обрабатываемого изделия, 12 – источник дополнительной энергии, 13 – устройство подачи в рабочую зону дополнительной технологической среды.

Ко второй группе относятся три одинаковых типа лазеров с оптической накачкой. Лазер на рубине (длина волны 0,694 мкм), который дает наибольшие плотности энергии и стоит сравнительно недорого. Неодимовый лазер на стекле (длина волны 1,063 мкм) для особо больших энергий. По габаритам он значительно больше лазера на рубине и с трудом охлаждается, но его КПД достаточно высок и достигает 6,0%. Лазер на Nd: YAG на легированном неодимовом алюмо-итриевом гранате (длина волны 1,067 мкм), мощность в непрерывном режиме около 1,0 Вт. Основной особенностью лазеров этого класса является возможность достижения значительной удельной мощности генерации за счет высокой концентрации активных частиц.

Третья группа – эксимерные лазеры. Это лазеры, в которых активной средой служат эксимеры (молекулы, существующие только в возбужденном состоянии). В качестве активной среды в газоразрядных эксимерных лазерах используются галогениды инертных газов, например (ArCl)*, (KrF)*, (XeF)*, электроногеонизационных эксимерных газоразрядных лазерах – молекулы инертных газов, например, Xe₂*, Kr₂*, Ar₂* (индекс * указывает на то, что атомы или молекулы вещества находятся в возбужденном состоянии). Эксимеры возникают в результате плазмохимических реакций. Активную среду в эксимерных газовых лазерах возбуждают газовым разрядом, пучком быстрых электронов, оптической накачкой или комбинацией этих способов. Эксимерные газовые лазеры излучают в основном в ултра-фиолетовой области спектра. Эксимерные лазеры позволяют обеспечить высокую однородность излучения по площади поверхности и минимальное (порядка 1 мкм) пятно фокусировки.

Анализ лазерных технологических излучателей показывает, что для реализации большинства технологических процессов электронной промышленности наилучшим образом удовлетворяет вторая группа. Мощность 0,5…5,0 КВт, частота повторения импульсов до 1000 Гц, расходимость излучения до раз позволяют реализовать большинство процессов термообработки в электронной и приборостроительной промышленности. Так, например, области применения лазеров на АИГ Nd³⁺ в Советском Союзе распределялись следующим образом: электронная промышленность – 55%; авиационная промышленность – 20%; автомобильная промышленность – 15%, остальные – 10%.