Лазерная технология

Лазерная технология

Лекция-1

НИЯУ МИФИ ФАКУЛЬТЕТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ Кафедра № 70

ЛИТЕРАТУРА Основная 1. А.П.Менушенков, В.Н.Неволин, В.Н.Петровский

Физические основы лазерной технологии. М.: НИЯУ МИФИ, 2010, 210 стр.. 2. У.Дьюли Лазерная технология и анализ материалов. М.: Мир, 1986. 3. Н.Н.Рыкалин, А.АУглов, И.В.Зуев, А.И.Кокора Лазерная и электронно- лучевая обработка материалов: Справочник. М.: Машиностроение, 1985. 4. А.А.Веденов, Г.Г.Гладуш Физические процессы при лазерной обработке материалов. М.:Энергоатомиздат, 1985. 5. А.С.Цыбин Физические основы плазменной и лазерной технологий. Учебное пособие. М.: МИФИ, 2002. Дополнительная 1. Г.А.Абильсиитов, Е.П.Велихов, В.С.Голубев Мощные газорязрядные СО2 лазеры и их применение в технологии. М.: Наука, 1984. 2. Дж.Реди Промышленные применения лазеров М.: Мир, 1981.

Лазерная технология

Лазерной технологией принято называть лишь одну, но довольно обширную область технических применений лазеров - обработку материалов действием лазерного излучения. Ныне на мировом рынке ежегодный объем продаж лазеров для обработки материалов составляет около $2000,000,000, то есть 20% всего объема рынка лазеров.

Лазеры для обработки материалов

Лазеры на кристаллах с Nd и Cr Лазеры на стеклах с Nd и Yb Газовые лазеры на CO2 и CO Газовые эксимерные лазеры на Kr-F и Ar-F Лазеры на стекловолокне с Yb (?=1.05 мкм), Er (?=1.55 мкм), и другими редкоземельными ионами Инжекционные полупроводниковые лазеры - мощные однокристальные и многоэлементные (решетки)

Новые лазеры:

Основные потребители лазерной технологии

Рынок

Участники рынка

6

Лазеры отечественного производства занимают 75-80% российского рынка в денежном выражении и всего около 10% — в натуральном, остальная часть потребления приходится на зарубежную продукцию.** Преимущественная доля зарубежной продукции в общем объеме рынка в натуральном выражении объясняется большим объемом импорта дешевых лазерных диодов из Малайзии Относительно низкая доля импорта в денежном выражении связана с небольшим объемом поставок в Россию неполупроводниковых лазеров. Лазеры такого типа ввозятся в Россию преимущественно в составе конечной продукции, т.е. в виде лазерного оборудования, а для российского производства используются, в основном, отечественные источники излучения.

* - по данным портала Ремонт Инновации Технологии Модернизация (www.ritm-magazine.ru) (выводы на основе анализа количества запросов на лазерное оборудование, поступивших в 2007-2009 гг.)

** - по данным журнала «ТехСовет» (http://www.tehsovet.ru)

Американский физик Теодор Мейман

мериканский физик Теодор Мейман. В 1960 г. ему удалось получить на рубине (Al2O3:Cr3+) лазерное излучение. Так выглядели детали первого лазера

1964: C. Пател показывает мощный СО2 лазер на длине волны 10

6 мкм

Современные СО2 лазеры технологического назначения Их мощность - десятки ватт

Фемтосекундные импульсы

Пиковые мощности и плотности потока энергии в лазерных импульсах длительностью в несколько десятков фемтосекунд превосходят все пределы сопротивления любого земного вещества. Применение фемтосекундных лазеров открывает для лазерной технологии новые возможности, особенно в точной размерной обработке микродеталей

Пригодный для лазерной микротехнологии фемтосекундный лазер свободно умещается на столе

В производстве более половины промышленной продукции в мире участвуют

лазеры

Лазерная резка пригодна для раскроя листов металла толщиною в десятки

миллиметров.

Лазерная резка твердых и хрупких материалов дает очень чистый срез,

когда тонкая струя воды под высоким давлением, как световод, доставляет излучение в зону резки и одновременно интенсивно охлаждает ее

Лазерная резка

Примеры лазерной резки различных материалов (слева – пластик, в центре – металл, справа – дерево)

Лазерная резка

Медицинские стенты, изготовленные с помощью лазерной микрорезки

Лазерная шовная сварка

Здесь вы можете увидеть лазерную приварку твердосплавных зубьев дисковой пилы на автоматической линии

Лазерная абляция

Лазерное сверление полимера. Терагерцовый лазер на свободных электронах, ИЯФ СО РАН, Новосибирск

Лазерное получение особо чистых веществ

В качестве примера приведем получение особо чистых материалов микроэлектроники. Для получения особо чистого кремния газ SiH4 очищался от остаточных примесей с помощью излучения эксимерного ArF- лазера с длиной волны 196 нм. В результате органические примеси диссоциировали и получен кремний с рекордным значением содержания примесей –1010 в см3. Один из важных материалов полупроводниковой электроники – трихлорид мышьяка – AsCl3 очищается от основных примесей – 1,2-дихлорэтана C2H4Cl2 и четыреххлористого углерода –CCl4 облучением излучения CO2- лазера, которое приводит к диссоциации молекул примесей при настройке частота на соответствующие линии поглощения .

Лазерный синтез новых соединений

1. Поливинилхлорид –лазерное излучение позволило снизить температуру синтеза и избавиться от примесей. 2. Синтез витамина D (2 стадии- KrF и азотный лазеры) 3. Фрагментация молекул: SF6--SF5--SF4 4. Синтез молекулы P2N5

Лазерная стереолитография

Лазерная стереолитография

С-37

Эскиз

Компьютерная модель

Пластиковая модель

Создание пресс-формы для изготовления продувочной модели самолета

ТУ-334

Лазерная стереолитография

Пластиковые стереолитографические модели рабочих колес для водометных движителей, изготовленные по ним восковые модели («восковки») и готовая металлическая отливка

Применение лазеров в биомедицине

Разработка и синтез новых полимеров и минерал-полимерных композитов для замены фрагментов скелета, регенерации костной ткани, изготовления матриц для тканевой инженерии

От виртуальной модели до индивидуального имплантанта

Использование лазерной стереолитографии в медицине: Схема получения

пластиковых моделей для медицины

Томографическое обследование пациента

Томограмма: набор изображений отдельных слоев

Использование лазерной стереолитографии в медицине: Схема получения

пластиковых моделей для медицины

Получение 3D компьютерной модели по томографическим данным, создание виртуальных имплантов, построение управляющей программы.

Лазерное выращивание моделей

Критические плотности потока лазерного излучения

Qc1 - критическая плотность потока, необходимая для достижения к концу импульса излучения на поверхности тела температуры плавления, qc2 - критическая плотность потока, соответствующая достижению температуры кипения, qc3 - критическая плотность потока, выше которой процессы испарения преобладают над переносом тепла в конденсированную среду, qc4 - критическая плотность потока, выше которой вглубь материала распространяется ударная волна, а над поверхностью образуется плазменный факел.

Классификация лазерных технологических процессов по плотности мощности

Классификация лазерных технологических процессов по плотности энергии