 Моделирование распространения излучения ЛПМ
Моделирование неустойчивого резонатора в Zemax
EUREKA Engineering Materials & Design, June 1997 Vol 17 No 6
Лазеры рисуют внутри прозрачных материалов
Надписи могут быть написаны на панели прибора без снятия ее или даже в глубокой внутренней части плавленного кварца (стекла и т.д.)
Применение
Излучение лазера может использоваться для маркировки в пределах прозрачного материала, позволяя создавать изображения на стеклянных панелях, прозрачных экранах приборов, без снятия их. Маркировка внутри, а не на поверхности прозрачных материалов, позволяет обходиться без производственного мусора (стружка и т.д.)
Посредством фокусирования лазерного луча, становится возможным процесс маркировки внутри объема прозрачного материала.
Таким образом можно маркировать стекло внутри, для производства декоративных объектов различных форм и дизайна , а так же цифро-буквенную информацию на панелях измерительных приборов.
Наиболее интересными по техническим параметрам изделия, были произведены в стеклянных блоках с размерами 50 *50 мм., которые были сделаны в России с великолепным дизайном. Маркировка сделана посредством Yag лазера.
Каждый лазерный импульс производит миниатюрную вспышку внутри прозрачного материала. Линии и точки , из которых в последствии состоит рисунок отображаются внутри посредством перемещения объекта по заданой программе CADCAM , управление осуществляется компьютером.
Разработчики, "Мехатрон ЛТ" , говорят, что они видят основные применения в изготовлении шкал и сеток посредством внутренней маркировки прозрачных деталей различных приборов. Так же можно изготовлять декоративные объекты как видно на нашей иллюстрации, маркировать автомобильные ветровые стекла и окна, производить витражи и декоративные витрины с внутренними изображениями. Так же эта технология может быть использована для производства декоративных изделий, для маркировки автомобильных стекол (не снимая их), производства витражей. Путем внутренней маркировки нижней части стекла и последующей подсветкой различных областей, обеспечивается принципиально новый способ нанесения важной информации для водителя, которому не нужно будет смотреть вниз на приборную панель. Не только кварцевые блоки могут быть подвергнуты обработке лазерным лучом, но и другие типы стекла так же могут иметь внутренние надписи, сделанные посредством излучения необхадимого диапазона длин волн.
Данная технология в этой стране использует лазеры для маркировки приборных панелей измерительных приборов внутри за их защитными стеклами. Трюк заключается в том, что свойства поверхности материала должны подходить для проникновения внутрь длинны волны лазера. Энергия лазерного луча должна быть полностью поглощенна в местах расположения надписей внутри материала. Таким образом, нет возникновения испарений или частичного разрушения поверхности стекла или пластика.
Целью является организация массового производства приборов, поставляемых на поток, и осуществлять маркировку поверхности, но так же маркировку серийных номиров и кодов.
НАУКА В РОССИИ, Май-Июнь 1997 № 3
Доктор технических наук Л.С. ГЛИКИН, генеральный директор НПО "МЕХАТРОН ЛТ&О"
Лазеры известны миру с 1960 г. Тогда российские ученые, ныне лауреаты Нобелевской премии академики AM. Прохоров и Н.Г. Басов создали этот прибор. Основой его является активный элемент (рабочее вещество), расположенный между зеркалами, образующими резонатор. В нем-то и происходит преобразование различных видов энергии в энергию лазерного излучения. В зависимости от того, какие вещества применяют в качестве этого элемента, лазеры подразделяются на газовые, жидкостные и твердотелые. Большое распространение в последнее время получили лазеры, у которых в качестве рабочего вещества используют пары металлов (ЛПМ), в частности меди и золота.
ЛАЗЕРЫ НА ПАРАХ МЕТАЛЛОВ
При создании таких приборов определились два направления. Первое ориентировано на разделение изотопов урана. Это мощные (до 200 Вт) лазеры, у которых между резонирующими зеркалами располагают металлокерамическую трубку, наполненную инертными газами (гелием и неоном), а внизу ее, в специальных углублениях (карманах), помещают кусочки металла. На концах трубки укреплены электроды, и при подаче на них напряжения металл сначала плавится, потом испаряется. Его пары и служат рабочим веществом. В процессе работы из материала трубки выделяются побочные газы, и их нужно периодически удалять. Для этого предусмотрена система продува (прокачки).
В другом варианте лазерные трубки запаяны с обоих концов и не имеют системы прокачки газов. Это возможно только благодаря высококачественному материалу, из которого они сделаны. Именно на такую конструкцию ориентировались российские ученые при разработке ЛПМ. Сначала их также предназначали лишь для разделения изотопов урана. Однако в дальнейшем прибор совершенствовали. Он стал гораздо универсальнее, надежнее и дешевле.
В новейших ЛПМ нет водяного охлаждения. Срок службы их активного элемента - 1000 ч. Они обладают высокой частотой следования импульсов (5-20 кГц) и малой их длительностью (20 не), мощностью излучения от 1 до 10 Вт, гигантским коэффициентом излучения лазерной среды (до 40 дБ) и большим диаметром активной зоны (до 20 мм). К достоинствам этих лазеров нужно отнести и то, что у них видимый выводящий луч. У ЛПМ на парах меди (серии CVL) он состоит из двух цветов спектра: 60% зеленого (длина волны 511,2 нм) и 40% желтого (578,2 нм), а на парах золота (AVL-1,5) - из красного цвета (627,8 нм). Мало того, применение в данных приборах малогабаритного источника питания и модулятора позволило разработать моноблочную конструкцию лазера небольших размеров и веса (от 15 до 40 кг) и с незначительным потреблением энергии.
Сочетание всех перечисленных свойств для такого класса приборов является уникальным и их можно использовать там, где применение других затруднено или вообще невозможно. Например, именно ЛПМ позволили создать ряд установок для хирургического и терапевтического воздействия импульсного излучения лазера на патологические биоткани. Облучение внутренних органов и полостей организма обеспечивает гибкий кварцевый световод, причем без серьезного хирургического вмешательства. Гибкий и тонкий, он хорошо сочетается с традиционными медицинскими инструментами и приспособлениями (катетерами, эндоскопами, лапароскопами, полыми иглами). Излучение лазера позволяет проводить коагуляцию, иссечение новообразований, остановку внутренних кровотечений. Оптические системы на базе ЛПМ и соответствующие методы лечения дают возможность воздействовать только на больные ткани, а врач может наблюдать за лучом и зоной операции.
Наиболее эффективно применение установок такого типа в гинекологии, дерматологии, косметологии и детской оториноларингологии. Операции проходят бескровно, выполняются, как правило, в амбулаторных условиях.
Особое место в данном оборудовании занимает лазерный комплекс, на базе AVL-1,5 использующийся для фотодинамической терапии рака. Этот метод заключается в том, что в организм больного вводят специальный препарат - фотогем, который накапливается только в раковых клетках, и после облучения они разрушаются. Комплекс можно применять для борьбы со злокачественными образованиями кожи, нижней губы, языка, слизистой полости рта, молочных желез, легких, пищевода, желудка, первичной беспигментной меланомы. Кроме того, его рекомендуют для лечения атеросклероза крупных кровеносных сосудов, псориаза, дисфункциональных маточных кровотечений. Он прошел клиническую апробацию в Государственном научном центре лазерной хирургии Минздрава России и ряде других клиник, где получил высокую оценку.
Однако этим возможности ЛПМ не исчерпаны. На его основе разработан многоцелевой автоматизированный лазерный комплекс (МАЛК), уникальный для обработки металлов, керамики и полупроводниковых материалов. Он состоит из нескольких модулей, что позволяет быстро переналаживать установку для выполнения различных технологических операций. МАЛКу под силу лазерная литография, т.е. размерная обработка объектов, связанная с поверхностным удалением материала или модификацией его свойств с целью создания заданного рисунка топологии, скажем, для нужд микроэлектроники, с разрешением до 2 мкм. С его помощью можно исправлять дефекты шаблонов и их изделий до 1 мкм в производстве интегральных и гибридных схем и "сверлить" прецизионные отверстия размером 0,01-0,5 мм. Комплекс прекрасно справляется с лазерной маркировкой изделий, включая микромаркировку (размером от единиц до десятков мкм) алмазов и других твердых материалов. Он позволяет проводить термообработку с плотностью мощности до 1011 Вт/см2, в частности импульсную, локальную термообработку полупроводниковых структур в технологии создания интегральных схем и подгонку параметров электронных компонентов до заданных.
Осуществление всех перечисленных операций контролируют с помощью экрана лазерного проектора, обеспечивающего 100-1000-кратное увеличение. Это, кстати, дает возможность рассчитывать на МАЛК при научных исследованиях, в генной инженерии, микробиологии и т.д.
Обычно для нанесения заданного "рисунка" на обрабатываемую поверхность используют маски (матрицы). Они бывают статические, изображающие конкретно какую-нибудь фигуру, и динамические, на жидких кристаллах (ЖД), которым компьютером придают любую конфигурацию. По традиционной технологии маски располагали между лазером и предметом, при этом основная часть энергии излучения шла на нагрев самой маски, т.е. попросту терялась. Использовать же маски на ЖД вообще было нельзя, т.к. они от нагрева разрушались. Создавая МАЛК, удалось расположить маску внутри лазера (между зеркалом резонатора и активным элементом). При этом усиливается только полезный сигнал, несущий ее изображение, что на несколько порядков повысило энергетическую эффективность использования лазерного излучения по сравнению с традиционными методами. Стали реальностью такие высокоэнергетические операции, как резка, термообработка, сверление отверстий и т.д. при относительно маломощном лазере с одновременным визуальным контролем. Еще одно применение ЛПМ - лазерный микроскоп мощностью всего 1 Вт, позволяющий контролировать изделия электронной техники без всякого для них вреда, сварные и паянные соединения, состав твердых растворов в слоях толщиной от 1 до 100 мкм и др.
В разработке ЛПМ принимали участие специалисты Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Научно-производственного объединения "Исток", Научно-исследовательского института точного машиностроения, Научно-производственного объединения "Мехатрон" лазерной техники и ряда других предприятий. На эти разработки получены патенты Франции, Швейцарии, Германии, Японии и несколько десятков авторских свидетельств.
В настоящее время НПО "Мехатрон" наладило промышленное производство пяти видов лазеров на парах металлов. Они пользуются большим спросом как в России, так и за рубежом и закуплены Германией, Италией, Израилем, Кореей, Японией, рядом других стран
|
ЛАЗЕРЫ НА ПАРАХ МЕТАЛЛОВ