24.3. Когерентный свет

Лампы накаливания и дневного света испускают несогласованный по частоте и направлению свет, который в оптике называется некогерентным. Это обусловлено спонтанным излучением.

Лазерный луч – когерентный. Это обусловлено вынужденным излучением. При когерентном излучении (монохроматическом)

10^-6 - 10^–7,

где - длина волны.

Некогерентный свет нельзя хорошо сфокусировать. Когерентный можно, т.е. можно обеспечить световое пятно диаметром около 1 мкм. Это позволяет создать тонкий луч с большими энергиями. Например, луч СО₂ – лазера диаметром 1 мм имеет интенсивность луча 10⁵Вт\см². Солнечный свет имеет мощность 0,1 Вт\см². Поэтому энергии СО₂ – лазера достаточно, чтобы резать металл.

4. Обработка материалов лазерным лучом

При возрастании интенсивности излучения энергия воздействия лазера возрастает. При Е=10⁵Вт\см² начинается плавление металла. При Е=10 ⁶- 10⁷ Вт\см² начинается процесс испарения металла и формирования отверстия или разреза. При Е=10⁹Вт\см² свет начинает ионизировать пары, превращая их в плазму. Плазма препятствует доступу света, поэтому Е не должно превышать 10⁸Вт\см².

Необходимо также учитывать время действия импульса излучения. Можно регулировать частоту и продолжительность воздействия импульса излучения. Для плавления металла продолжительность импульса дается

10^-7с. В этом случае металл испаряется.

Для сварки используют импульсы продолжительностью 10^-2- 10^-3с. Для пробивания отверстия используют импульсы продолжительностью 10^-5с.

Сверление отверстий. В часах используют опоры осей часового механизма из рубинов. В них требуется высверливать отверстия диаметром 0,1-0,5 мм. При механическом сверлении на эту операцию требуется 15 минут. Производительность лазера с гранатом и неодимом составляет 1сек на 1 отверстие.

Для производства тончайшей проволоки из меди, бронзы, вольфрама диаметром около 10 мкм используют алмазные фильеры. Для сверления одного отверстия в алмазном фильере механическим путем требуется 10 часов. Лазерным лучом пробивают черновой канал за 1 сек, который затем обрабатывают механическим путем (ультразвуком).

Широко используется лазерное сверление при производстве интегральных микросхем (ИС). При толстопленочной технологии изготовления ИС отверстия в подложке (глинозем) для активных элементов изготавливают механическим путем в сырой подложке. При это она деформируется. При пробивке лучом лазера готовой подложки эти недостатки отсутствуют. Глубина пробиваемого отверстия может превышать диаметр в 10-15 раз.

При использовании лазера возможно сверление или сварка через оптически прозрачную преграду, при этом такая технология позволяет получать высокое качество шва, в частности, для ремонта или изготовления сложных электронных приборов, например, электронных трубок. Лазерный луч позволяет осуществлять сварку в труднодоступных местах конструкций.

24.5 Лазерная сварка

Первоначально была отработана точечная сварка на основе импульсных твердотельных лазеров на стекле с неодимом и рубином. С появлением мощных СО₂ лазеров и лазеров на гранате с неодимом стала развиваться шовная сварка. Скорость такой сварки несколько метров в минуту, ширина шва 0,5 мм. На ЗИЛе имеется лазерная сварка карданных валов, при этом срок службы валов повысился в 3 раза.

Развивается сварка неметаллических материалов – стекла, кварца и т.д. Следует отметить, что скорость электродуговой сварки – 15м\час , лазерной в несколько раз больше . Лазерная сварка по сравнению с электродуговой более экономичная, производительная, качественная и благополучная в экологическом плане.

6. Термообработка лазерным лучом

Лазерный луч нагревает локальную область на поверхности металла, затем при его перемещении поверхность быстро остывает, образуя мелкокристаллическую структуру, т.е. происходит закалка. Например, на АЗЛК осуществляют лазерную закалку корпуса заднего моста СО₂ лазером. В последние годы появился новый процесс - лазерное остекловывание металла. При очень быстром охлаждении образуется аморфный слой металла. Скорость охлаждения должна быть 10⁸ град\сек. Полученный слой обладает рядом свойств: повышенной прочностью, износостойкостью, проводимостью и и.д.

6. Преимущества лазерной обработки материалов

Лазерная обработка обладает рядом преимуществ:

1) разнообразие материалов обработки, в т.ч. таких, которые вообще не обрабатываются механическим способом;

2) высокая скорость операций;

3) возможность автоматизации операций;

4) высокое качество обработки без загрязнения поверхностей;

5) возможность прецизионной обработки;

6) селективность обработки поверхностей. (Обработка части поверхности и целостность других);

7) возможность дистанционной обработки;

8) возможность выполнения уникальных операций.

6. Получение и восстановление голограмм

Голограммы бывают плоские и изобразительные. Плоской является голограмма, полученная в свете одного лазера, т.е. когерентном и монохроматическом, и восстанавливаемая с помощью того же лазера, который был использован при ее записи. Изобразительной называется голограмма, получаемая с использованием нескольких лазеров и восстанавливаемая в дневном свете.

Плоские голограммы чаще всего используются в исследовательских целях или для записи и хранения информации. Изобразительные голограммы чаще используются для демонстрации произведений искусства или других объектов.

Для получения плоской голограммы чаще используется лазер, свет которого разделяется на два пучка: одним освещается объект, второй направляется на голографическую пластинку. Отраженный от объекта свет падает на голографическую пластинку, интерферирует с расширенным пучком света от лазера. Первая световая волна называется сферической объектной, вторая – опорной. Голографическая пластинка используется для воспроизведения потока световых волн, записанных ранее.

Для восстановления потока света от объекта в его отсутствие достаточно восстановить частоту отраженной от объекта волны, ее длину и углы отражения. При попадании на голографическую пластинку объектной и опорной волн происходит их интерференция, в результате голограмма имеет систему полос. Процесс получения интерференционной картины называется процессом записи голограмм. При освещении голограммы расширенным лазерным лучом (опорным пучком) можно получить за голограммой реалистической изображение объекта. Это произошло в результате формирования световых волн, являющихся копиями отраженных волн. Поскольку голограмма освещена тем же светом, что и при ее регистрации, то длина и частота световой волны при восстановления изображения совпадают с параметрами волны при регистрации. При прохождении опорного пучка света через голографическую пластинку происходит дифракция света за счет интерференционных полос. При этом углы дифракции равны углам интерференции. Таким образом, удается полностью восстановить световой поток от объекта.

Поскольку наблюдатель восстанавливает точно такую же волну, как и объект, то это не просто объемное изображение, оно выглядит так же, как и основной объект. Меняя точки обзора, можно видеть, как появляются новые детали.

В процессе восстановления голограммы на нее направляют считывающую волну, точную копию опорной волны. Частично считывающая волна пройдет через голограмму, испытав дифракцию, а частично отразится. Таким образом сформируются два изображения: мнимое и действительное. Натурально выглядит только мнимое изображение (сформированное от отраженного света). Действительное изображение будет представлять собой зеркальное отображение объекта (такое изображение называется псевдоскопичным). Если голографическую пластинку освещать с обратной стороны, то псевдоскопичным будет мнимое изображение.

6. Объемные голограммы

Для объемной голограммы характерно, что толщина светочувствительного слоя существенно больше длины световой волны и может составлять более 20 мкм, что в 30 раз больше длины волны неоново-гелиевого лазера. В объемной голограмме имеется структура, состоящая из интерференционных слоев.

Восстановление светового потока с помощью изобразительной голограммы основано на отражении световых волн от интерференционных слоев, которые были получены при регистрации объекта в свете различных лазеров. Дневной свет, в котором восстанавливается голограмма, состоит из большого количества различных световых волн. Отражение, например, красного света, происходит за счет отражения от интерференционного слоя, полученного при использовании лазера красного цвета. Из всей гаммы световых волн белого цвета голограмма отражает только те, которые были зарегистрированы при использовании лазеров с соответствующей длиной волны. Отражение света от изобразительной голограммы получило название Брэгговского.

Объемные голограммы получают, прежде всего, для изобразительных голограмм. Они были предложены Денисюком.

6. Материалы, используемые для записи голограмм

Интерференционная картина имеет очень тонкую структуру. Расстояния между полосами могут быть около 1 мкм. Поэтому материалы должны быть с очень высокими разрешающими свойствами. Фотоэмульсия – это зерна бромистого серебра в желатиновой массе. Размер зерна должен быть менее 1 мкм.

Однако, фотоматериалы обладают тем свойством, что при повышении зернистости снижается их светочувствительность. Светочувствительность должна быть не ниже 10^-2Дж\см². Современные светорезисторы (органические фотоматериалы) при светочувствительности от10^-2Дж\см² имеют разрешающую способность 1-3 мкм. Все фотоматериалы имеют недостаток – они являются одноразовыми (необратимыми).

В настоящее время имеются обратимые регистрирующие среды, допускающие стирание и повторную запись голограмм. К ним относятся жидкие кристаллы, меняющие прозрачность под действием света, пленки из термопластика и др.

Рассмотрим применение термопластика. Это прозрачный диэлектрик, размягчающийся при температуре около 50^оС. Термопластик наносят на слоистую конструкцию, состоящую из полупроводника и проводника. Ее заряжают в темноте коронным разрядом, затем освещают объектовой и опорной волной. При этом происходит перераспределение положительных и отрицательных зарядов на участке, который был освещен. Затем заряжают повторно поверхность термопластика. При этом потенциал внутри конденсатора выравнивается, но появляется избыточный заряд на поверхности термопластика, на участке, который был освещен. В последующем термопластик нагревают до размягчения, и под действием кулоновских сил толщина слоя термопластика меняется.

Считывающий световой пучок, проходя через тонкую поверхность, чувствует неровности. Меняется длина пути прохождения света и, следовательно, меняется фаза световой волны. Такие голограммы называют фазовыми. Голограммы же на фотоматериалах называют амплитудными. Пространственное разрешение фазовых голограмм достигает 1 мкм. Для подготовки голограммы к повторному использованию, достаточно ее нагреть.