eng
Выпуск #3/2019
А. Г. Григорьянц, М. А. Казарян, Н. А. Лябин, И. Н. Шиганов
Сравнительный анализ лазерных систем для микрообработки материалов
Сравнительный анализ лазерных систем для микрообработки материалов
Просмотры: 2855
В работе представлен сравнительный анализ параметров импульсных лазеров и лазерных систем на парах меди (ЛПМ и ЛСПМ) с другими типами газовых и твердотельных лазеров и их возможности промышленного использования в области обработки материалов. Показано, что ЛПМ с длинами волн излучения 510,6 и 578,2 нм, наносекундной длительностью импульсов и световым пятном диаметром до 20 мкм с плотностью пиковой мощности 10 в 9 степени – 10 в 11 степени Вт / см2 являются уникальными инструментами для эффективной и качественной микрообработки практически любых металлических и большого круга неметаллических материалов.
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.3.264.279
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.3.264.279
Теги: copper vapor laser copper vapor laser system gas lasers micromachining industrial lasers solid-state lasers газовые лазеры лазер на парах меди лазерная система на парах меди промышленные лазеры для микрообработки твердотельные лазеры
Введение
Одним из прогрессивных технологических направлений за последние 20–25 лет стало использование лазерных технологий в электронной, автомобильной, авиационной, судостроительной, атомной промышленностях, точном приборостроении и других сферах человеческой деятельности. Заметно расширяются области их использования в оборонно–промышленном комплексе. К этим технологиям относятся размерная резка, сварка, раскрой, прошивка отверстий, термообработка, легирование, поверхностная обработка, селективное спекание, микрообработка, маркировка и гравировка с высоким разрешением самых разнообразных материалов. Внедрение лазерных технологий практически всегда повышает качество и производительность обработки, обеспечивает экологическую чистоту производства, во многих случаях достигаются технические и экономические результаты, которые нельзя получить другими методами обработки. Особое место в производстве изделий электронной техники и точном приборостроении занимает прецизионная микрообработка.
Газовые и твердотельные технологические лазерные системы
В качестве источников излучения могут эффективно использоваться и уже используются короткоимпульсные, высокочастотные, с малой энергией в импульсе и малым коэффициентом отражения лазеры видимого и ультрафиолетового диапазонов: твердотельные и газовые, в частности, лазеры и лазерные системы на парах меди (см. табл.).
Лазеры и лазерные системы на парах меди (ЛПМ и ЛСПМ)
ЛПМ и ЛСПМ с длинами волн излучения λ = 510,6 и 578,2 нм, наносекундной длительностью импульсов (τимп. = 20–40 нс), большим усилением активной среды (АС) (k = 10–102 Дб / м), съемом средней мощности с одного активного элемента (АЭ) до 750 Вт, относительно высокими частотами повторения импульсов (f = 5–30 кГц) и низкой импульсной энергией (W = 0,1–10 мДж) остаются на сегодня самыми мощными импульсными источниками когерентного излучения в видимой области спектра [1–14]. С данными параметрами ЛПМ и при условии формирования излучения однопучковой структуры с дифракционным качеством плотность пиковой мощности в сфокусированном пятне (d = 5–20 мкм) даже при относительно малых значениях средней мощности (Ризл = 1–20 Вт) достигает очень высоких значений: ρ = 109–1011 Вт / см2. С такими уровнями плотности видимого излучения обеспечивается эффективная микрообработка в испарительном режиме как высокотеплопроводных – Cu, Al, Ag, Au, так и тугоплавких – W, Mo, Ta, Re и других металлов – Ni, Ti, Zr, Fe и их сплавов, сталей, многих полупроводников и диэлектриков – кремния, поликристаллического алмаза, сапфира, графита, карбидов и нитридов, прозрачных материалов [15–19]. Кроме того, для обеспечения высокого качества реза, характеризуемого минимальной зоной термического влияния (≤3 мкм) и шероховатостью (≤1 мкм), нестабильность оси диаграммы направленности пучка излучения должна быть на три–четыре порядка меньше дифракционной расходимости [θдифр / (103–104)].
При малых уровнях мощности излучения (1–10 Вт) ЛПМ обычно конструктивно выполняется в виде отдельного генератора с одним АЭ и оптическим резонатором. Для получения средних (20–100 Вт) и особенно высоких (единицы–десятки кВт) уровней мощности излучения применяются ЛСПМ, работающие по схеме задающий генератор – усилитель мощности (ЗГ – УМ) с одним или несколькими АЭ в качестве УМ. В ЛСПМ по сравнению с ЛПМ, работающем в режиме единичного генератора, достигаются более высокие мощности и КПД и соответственно производительность микрообработки [6, 10]. Эти импульсные лазеры используются и в качестве эффективных источников накачки нелинейных кристаллов (НК) типа ВВО, КDР, DКDР, преобразующих видимое излучение ЛПМ во вторую гармонику – 255,3, 289,1 и 272,2 нм, т. е. в ультрафиолетовую область спектра с КПД 10–25%. Такие перестраиваемые лазерные системы предпочтительны для микрообработки органических материалов и полимеров [5, 6, 10, 20, 21].
СО2-лазеры
В технологии обработки материалов традиционно широко применяются СО2-лазеры с длиной волны λ = 10,6 мкм. Мощные СО2-лазеры и твердотельные ИК-лазеpы (1–30 кВт) преимущественно используются для высокоскоростной резки, раскроя и сварки черных металлов и нержавеющей стали толщиной 1–30 мм. Однако из-за высокого коэффициента отражения (>95%) такие высокотеплопроводные металлы как Cu, Al, Au и Ag обрабатывать излучением СО2- и другими ИК–лазеpами не эффективно. К наиболее известным производителям коммерческих лазерных технологических комплексов (ЛТК), создаваемых на их основе, относятся следующие фирмы: Bystronic (Швейцария), Trumpf и Rofin–Sinar Laser (Германия), Koike и Mitsubishi Electric (Япония), Salvagnini (Италия), Рухсервомотор (Белорусь), Hankwang (Южная Корея), Hans Laser (Китай), «ТехноЛазер» (Шатура, Моск. обл.), НТО «ИРЭ–Полюс» (Фрязино, Моск. обл.), IPG Photonics Corporation, АО «НПП «Исток» им.Шокина» (Фрязино, Моск. обл.), ООО НПЦ «Лазеры и лазерные технологии» (Зеленоград) [20, 22–32].
Твердотельные стержневые лазеры
Близкий к ЛПМ по мощности и КПД широко распространенный твердотельный лазер на основе стержневого иттрий–алюминиевого граната с неодимом (Nd : YAG) с λ = 1 064 нм и удвоением частоты на нелинейных кристаллах с λ = 532 нм, из-за возникновения тепловых деформаций в рабочем стержне, имеет расходимости излучения больше дифракционного предела. Маломощные Nd : YAG–лазеры массово применяются для маркировки и гравировки деталей, узлов и готовых изделий в процессе их производства, мощные – для сварки и раскроя металлов, включая алюминий [22–32].
Дисковые и волоконные лазеры
По совокупности параметров для микрообработки материалов самыми близкими к ЛПМ являются высокоэффективные (КПД до 20%) импульсные твердотельные дисковые иттербиевые лазеры (Yb : YAG) с диодной накачкой и длиной волны излучения λ = 1 030 нм производства таких известных немецких фирм как Trumpf и Rofin–Sinar Laser. Дисковые лазеры дают наилучшее решение для значительного ряда промышленных применений. Диск – простой и легко возбуждаемый АЭ лазера, который позволяет генерировать по своим параметрам излучение высокого качества. При большой излучающей поверхности дискового лазера плотность мощности для него не критична даже при высоких значениях пиковой мощности. У волоконных иттербиевых лазеров (КПД до 30%), по сравнению с дисковыми, повышение пиковой мощности негативно влияет на качество излучения и эксплуатационную надежность в первую очередь резонатора. Другим заметным недостатком волоконного лазера является его высокая чувствительность к отраженному излучению, которое возникает при взаимодействии с высокоотражающими материалами (медь, бронза, алюминий и т. д.). Волоконные лазеры разрабатывают и производят такие фирмы как IPG Photonics Corporation (США), Lumera Laser (США), Light Conversion Ltd. (Литва), НТО «ИРЭ–Полюс», Авеста Проект и Laser–Form (Россия). Мощные, многокиловаттного уровня дисковые и волоконные лазеры применяются в основном для высокоскоростной прецизионной резки и раскроя, сварки и закалки металлических материалов [20, 22–32].
Этого класса лазеры выпускаются и в сочетании с НК, при этом за счет удвоения и утроения частоты основного излучения формируется УФ–излучение с длинами волн λ = 0,515 и 0,343 мкм. Достигнуты пико– и фемтосекундные значения длительности импульсов при частоте повторения от кило– до мегагерц (см. табл.). С высокочастотными пико- и фемтосекундными лазерами, из-за малого времени воздействия излучения на вещество, достигается наиболее высокое качество микрообработки – минимальная (субмикронная) зона термического влияния (ЗТВ) практически без образования расплава [33]. Дисковые короткоимпульсные лазеры в основном применяются в тех случаях, когда нельзя достигнуть высокого качества обработки другими лазерами, например, в автомобилестроении для сверления микроотверстий в нержавеющей стали для форсунок инжекторных двигателей или для изготовления медицинских стентов для расширения кровеносных сосудов. Эти дорогие лазеры в процессе производственной эксплуатации для обеспечения стабильных выходных параметров излучения требуют дополнительных жестких условий защиты от внешних воздействий. В тоже время наш опыт показывает, что в несколько раз более дешевый ЛПМ с наносекундной длительностью импульсов во многих случаях обеспечивает микрообработку материалов с высокой производительностью, приемлемым качеством и рентабельностью [6, 15–20].
Эксимерные лазеры
Эксимерные газовые лазеры на галоидных соединениях на инертном газе (ArF, KrF, XeCl, XeF) и димерах инертного газа (Ar, Kr) работают, как и ЛПМ, в импульсном режиме с наносекундной длительностью, но имеют более короткие длины волн излучения (λ = 157; 193; 248; 282; 308; 351 нм), т. е. генерируют в ближнем УФ-диапазоне (см. табл.) [20, 29, 30]. Они широкого применяются в полупроводниковом производстве для фотолитографии и маркировки, а также обработки пластиков, керамики, кристаллов, биологических тканей. Но из–за относительно большой расходимости и меньших рабочих частот повторения импульсов (ЧПИ) (до 1–5 кГц) качество и производительность обработки материалов снижаются. В то же время более высокочастотный ЛПМ за счет применения нелинейных кристаллов обеспечивает производительную и качественную микрообработку и в ультрафиолетовой области спектра [5, 10].
Диодные лазеры
Диодные лазеры имеют небольшие размеры и могут выпускаться большими партиями при относительно низких затратах. Большинство диодных лазеров генеpиpуют в ближней ИК-области (λ = 800–1 000 нм). Они надежны и долговечны, но имеют большую расходимость излучения, и выходная мощность единичного элемента ограничена. Диодные лазеры находят применение во многих сферах человеческой деятельности, в основном – в секторе телекоммуникаций и оптической памяти, а также в большом количестве используются в качестве источников накачки твердотельных и волоконных лазеров. Разработанная технология сложения единичных диодов в диодные линейки позволяет увеличивать среднюю мощность лазера до 1–3 кВт, что достаточно для высокопроизводительной и качественной сварки, например, алюминиевых деталей.
Состояние и развитие ЛПМ и ЛСПМ
Сравнительный анализ импульсных ЛПМ и ЛСПМ, генерирующих в видимой области спектра, с другими известными типами технологических лазеров, проведенный во введении, показывает, что по совокупности выходных параметров излучения эти лазеры остаются перспективными для прецизионной микрообработки материалов [5, 6, 10, 15–19]. Следует также подчеркнуть, что, кроме микрообработки, важными областями применения этих лазеров являются селективная технология по разделению изотопов, спектральные исследования состава твердотельных, жидких и газовых веществ, усилители яркости изображения микрообъектов, нанотехнология и др. [5, 6, 10–12, 20].
В современном технологическом оборудовании широко используются СО2, твердотельные дисковые и волоконные, эксимерные, азотные и диодные лазеры. Применение же импульсного ЛПМ в специализированном оборудовании, несмотря на уникальную совокупность его выходных параметров, тем не менее крайне ограничено, что обусловлено малым количеством на рынке коммерческих моделей с высокими надежностью и качеством излучения. Такая ситуация, по–видимому, сложилась по ряду причин. Во–первых, во многих НИИ России (СССP) проводились в основном широкомасштабные теоретические и экспериментальные исследования физических процессов в ЛПМ, а не промышленные разработки. Во–вторых, в передовых зарубежных странах (США, Англия, Франция, Япония) основные усилия были направлены на исследования и разработку высокомощных ЛСПМ типа ЗГ–УМ в обеспечении программ лазерного разделения изотопов по AVLIS технологии для нужд ядерной энергетики. В то же время разработки наиболее популярных коммерческих ЛПМ, к которым относятся лазеры малого (1–20 Вт) и среднего (30–100 Вт) уровней мощности, оставались как бы в стороне. В–третьих, за последние 10–15 лет лазерный рынок был представлен относительно большим количеством разновидностей ЛПМ с низким уровнем надежности и качества излучения, что снизило пользовательский спрос на данный тип лазера. Несмотря на сложившуюся ситуацию, ряд отечественных и зарубежных организаций продолжают работы по созданию новых коммерческих моделей ЛПМ и ЛСПМ и на их основе современного технологического оборудования для микрообработки материалов и разделения изотопов, медицинской и исследовательской аппаратуры. К ним относятся АО «НПП «Исток» им. Шокина» (Фрязино Моск. обл.), ООО «НПП «ВЭЛИТ» (Истра, Моск. обл.), ЗАО «Чистые технологии» (Ижевск), Физический институт им.П.Н. Лебедева РАН, Oxford Lasers (Англия), университет Маккуари (Австралия) и «Pulse Light» (Болгария). По мощным ЛСПМ, предназначенным для технологии разделения изотопов, лидируют Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса (США), где средняя мощность доведена до 72 кВт и РНЦ «Курчатовский институт». Исследования продолжаются в Институте общей физики РАН им. А. Н. Прохорова (Москва), ТГУ и Институте оптики и атмосферы СО РАН (г. Томск), Институте физики полупроводников (г. Новосибирск), ООО «НПО «Мехатрон», Санкт-Петербургском государственном политехническом университете, Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики, МГТУ им. Н. Э. Баумана и Объединенном институте высоких температур РАН (Москва).
Реализация преимуществ импульсного ЛПМ
Для реализации преимуществ импульсного излучения ЛПМ в технологии по микрообработке материалов и других современных технологий необходимо было создание нового поколения высокоэффективных промышленных ЛПМ и ЛСПМ и на их основе современного прецизионного технологического оборудования. Поставленная цель была достигнута за счет выполнения следующих задач:
разработки эффективных, долговечных и со стабильными параметрами промышленных отпаянных лазерных АЭ на парах меди со средней мощностью излучения 1–100 Вт;
разработки и исследования высокоэффективных и надежных схем исполнения высоковольтного модулятора ИП с наносекундной длительностью импульсов накачки;
исследования высокоселективных оптических резонаторов и систем по формированию в ЛПМ и ЛСПМ однопучкового излучения дифракционного качества и со стабильными параметрами для достижения высоких пиковых плотностей мощности (109–1012 Вт / см2);
исследования свойств АС импульсного ЛПМ и разработки на их основе методов и электронных устройств для оперативного управления мощностью и ЧПИ излучения;
разработки на базе нового поколения отпаянных АЭ, высоковольтных модуляторов для ИП, высокоселективных оптических систем и оперативных методов управления параметрами излучения промышленных технологических ЛПМ и ЛСПМ мощностью излучения до 100 Вт с высокими надежностью, эффективностью, качеством и стабильностью параметров излучения;
создания современных автоматизированных лазерных технологических установок (АЛТУ) типа «Каравелла» на базе промышленных ЛПМ и ЛСПМ и современных прецизионных трехкоординатных столов XYZ для производительной и качественной прецизионной лазерной микрообработки материалов;
определения оптимальных плотностей пиковой и средней мощности излучения ЛПМ для эффективной микрообработки фольговых (0,01–0,2 мм) и тонколистовых (0,3–1 мм) материалов.
Промышленные отпаянные АЭ импульсного ЛПМ
В процессе разработки за основу конструкции как первых моделей АЭ импульсного ЛПМ, так и нового поколения промышленных отпаянных АЭ серии «Кулон» малого (1–20 Вт) и «Кристалл» среднего (30–100 Вт) уровней мощности с рабочей температурой разрядного канала 1 600–1 700 °C взята конструкция саморазогревного АЭ с внутривакуумным расположением теплоизолятора, предложенная сотрудниками Физического института им. П. Н. Лебедева РАН и АО «НПП «Исток» им. Шокина» (Фрязино. Моск. обл.). Конструкция, технология обезгаживания и очистки после обезгаживания разработанных промышленных отпаянных АЭ серии «Кулон» и «Кристалл» идентичны и отличаются лишь размерами функциональных узлов и временем обезгаживания и очистки. Мощность каждой отдельной модели АЭ определяется в конечном итоге диаметром и длиной разрядного канала. Диаметр и длина разрядного канала АЭ «Кулон» со средней мощностью излучения 1 Вт составляют 7 и 140 мм, мощностью 5 Вт – 12 и 340 мм, 20 Вт – 14 и 625 мм, АЭ «Кристалл» мощностью 30 Вт – 20 и 930 мм, 55 Вт – 32 и 1230 мм, 100 Вт – 45 и 1520 мм. Высокие КПД, мощность, долговечность, качество и стабильность параметров излучения в промышленных отпаянных АЭ «Кулон» и «Кристалл» достигнуты за счет реализации комплекса научно–технических и технологических решений:
Проведена оптимизация параметров излучения АЭ по потребляемой мощности, давлению буферного газа неона и водорода, частоте повторения и параметров импульсов накачки. В качестве генератора накачки использовался тиратронный ИП, высоковольтный модулятор которого выполнен по схеме емкостного удвоения напряжения с магнитными звеньями сжатия наносекундных импульсов тока и анодным реактором, являющийся по результатам исследований на сегодня самым надежным и простым в эксплуатации и эффективным по условиям возбуждения АС лазера [6, 34, 35]. По сравнению с классической схемой длительность формируемых импульсов тока укорачивается в 2 раза, с 250–300 нс до 120–150 нс, что приводит к увеличению мощности излучения также в 2 раза, КПД в 1,5 раза за счет повышения оптимальной рабочей температуры и, как следствие, концентрации паров меди в АС примерно в 2–2,5 раза, увеличивается в несколько раз срок службы коммутатора–тиратрона (более 2 000 ч) и коммутируемая мощность (до 5–10 кВт) за счет снижения в нем потерь мощности.
АЭ серии «Кулон», АЭ «Кристалл» (ГЛ‑205) выпускаются с просветленными выходными окнами. Основу оптимизации по достижению максимальных рабочих значений КПД и мощности излучения составили результаты комплекса проведенных уникальных экспериментальных исследований. Конструкция и технология изготовления АЭ ГЛ‑205Г на парах золота идентичны модели ГЛ‑205А на парах меди и отличается только составом активного вещества, повышенной рабочей температурой разрядного канала (Тк ≈ 1 700 °C) и соответственно длиной волны излучения (λ = 578,2 нм) (см. табл.), что несколько снижает срок службы АЭ.
Высокоселективные оптические резонаторы и системы по формированию в ЛПМ и ЛСПМ однопучкового излучения дифракционного качества
В работе особое внимание было обращено исследованию оптических резонаторов ЛПМ, т. к. они определяют характеристики и качество выходного излучения. В процессе этих исследований была раскрыта динамика формирования и структура излучения ЛПМ. Установлено, что в ЛПМ в режиме отдельного генератора с оптическим резонатором структура выходного излучения многопучковая, причем каждый пучок обладает своими пространственными, временными и энергетическими характеристиками. При этом распределение интенсивности излучения ЛПМ в плоскости фокусировки имеет ступенчатый, неравномерный характер, что в принципе не пригодно для качественной микрообработки и препятствовало созданию на базе ЛПМ современного технологического оборудования. Наибольший интерес вызвали исследования ЛПМ с оптическими системами, обладающими высокой пространственной селективностью: с одним выпуклым зеркалом, с телескопическим неустойчивым резонатором (НР) и НР с двумя выпуклыми зеркалами, в результате которых были определены условия формирования однопучкового излучения дифракционного качества с высокой стабильностью параметров [6, 15, 16]. На основе законов геометрической оптики, с учетом дифракционного предела расходимости, выведены формулы для расчета расходимости выходного пучка излучения ЛПМ для этих трех оптических систем и определены условия формирования в них однопучкового излучения дифракционного качества со стабильными параметрами.
Формула для расчета расходимости излучения при работе ЛПМ в режиме генератора с одним выпуклым зеркалом имеет следующий вид (см. печатное издание или пдф файл).
Чем меньше радиус кривизны зеркала (R) и диаметр апертуры разрядного канала (Dк,) и больше расстояние от зеркала до выходной апертуры разрядного канала (l), тем ближе расходимость (θ) к дифракционному пределу – θдифр = 2,44λ / Dк. При радиусах R на один–два порядка меньших расстояния l расходимость пучка становится близкой к дифракционной (θ = 2–4 θдиф), а плотность пиковой мощности в пятне сфокусированного пучка излучения достигает значений 109 Вт / см2, достаточными для производительной микрообработки фольговых материалов и раскроя припоев (0,02–0,1 мм). Для обработки более толстых материалов ЛПМ с одним выпуклым зеркалом применяется в качестве ЗГ в ЛСПМ типа ЗГ – пространственный фильтр коллиматор (ПФК) – УМ, когда при использовании АЭ «Кристалл» моделей ГЛ‑205А и ГЛ‑205Б в качестве УМ мощность излучения возрастает более чем на порядок (30–60 Вт) [6, 16].
Применение ЛПМ в режиме генератора с телескопическим НР в качестве ЗГ в ЛСПМ типа ЗГ – ПФК – УМ явилось основой для создания современной промышленной АЛТУ «Каравелла‑1» мощностью излучения 10–15 Вт для прецизионной микрообработки металлических материалов толщиной до 0,5 мм и неметаллических до 1–1,2 мм; с НР с двумя выпуклыми зеркалами в качестве ЗГ в ЛСПМ – основой для создания самой мощной промышленной АЛТУ «Каравелла‑1М» (20–25 Вт) для прецизионной микрообработки металлических материалов толщиной до 1 мм и неметаллических до 1,5–2 мм ИЭТ [17]; с телескопическим НР и ПФК на его выходе – основой для создания компактных маломощных современных промышленных АЛТУ «Каравелла‑2» и «Каравелла‑2М» (5–8 Вт) для прецизионной микрообработки металлических материалов толщиной до 0,3 мм и неметаллических до 0,5–0,7 мм изделий ЭТ [18].
В ЛСПМ, работающей по схеме ЗГ–УМ, обеспечиваются максимальные КПД (2–3%), мощности (≥100 Вт) и плотности пиковой мощности излучения (до 1013 Вт / см2)
Оперативное управление мощностью и ЧПИ излучения в ЛСПМ типа ЗГ – УМ по заданному алгоритму производится за счет высокоскоростной рассинхронизации оптического сигнала (импульса излучения) ЗГ из зоны поглощения активной среды УМ в зону его усиления или прозрачности и наоборот.
Заключение
В процессе большого объема выполненных экспериментальных работ определились наиболее перспективные технологические направлений по созданию специального оборудования на основе лазерных элементов на парах металлов для использования в процессах микрообработки материалов наносекундным излучением с целью их масштабирования на широкий производительный уровень.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ см. печатное издание журнала
Одним из прогрессивных технологических направлений за последние 20–25 лет стало использование лазерных технологий в электронной, автомобильной, авиационной, судостроительной, атомной промышленностях, точном приборостроении и других сферах человеческой деятельности. Заметно расширяются области их использования в оборонно–промышленном комплексе. К этим технологиям относятся размерная резка, сварка, раскрой, прошивка отверстий, термообработка, легирование, поверхностная обработка, селективное спекание, микрообработка, маркировка и гравировка с высоким разрешением самых разнообразных материалов. Внедрение лазерных технологий практически всегда повышает качество и производительность обработки, обеспечивает экологическую чистоту производства, во многих случаях достигаются технические и экономические результаты, которые нельзя получить другими методами обработки. Особое место в производстве изделий электронной техники и точном приборостроении занимает прецизионная микрообработка.
Газовые и твердотельные технологические лазерные системы
В качестве источников излучения могут эффективно использоваться и уже используются короткоимпульсные, высокочастотные, с малой энергией в импульсе и малым коэффициентом отражения лазеры видимого и ультрафиолетового диапазонов: твердотельные и газовые, в частности, лазеры и лазерные системы на парах меди (см. табл.).
Лазеры и лазерные системы на парах меди (ЛПМ и ЛСПМ)
ЛПМ и ЛСПМ с длинами волн излучения λ = 510,6 и 578,2 нм, наносекундной длительностью импульсов (τимп. = 20–40 нс), большим усилением активной среды (АС) (k = 10–102 Дб / м), съемом средней мощности с одного активного элемента (АЭ) до 750 Вт, относительно высокими частотами повторения импульсов (f = 5–30 кГц) и низкой импульсной энергией (W = 0,1–10 мДж) остаются на сегодня самыми мощными импульсными источниками когерентного излучения в видимой области спектра [1–14]. С данными параметрами ЛПМ и при условии формирования излучения однопучковой структуры с дифракционным качеством плотность пиковой мощности в сфокусированном пятне (d = 5–20 мкм) даже при относительно малых значениях средней мощности (Ризл = 1–20 Вт) достигает очень высоких значений: ρ = 109–1011 Вт / см2. С такими уровнями плотности видимого излучения обеспечивается эффективная микрообработка в испарительном режиме как высокотеплопроводных – Cu, Al, Ag, Au, так и тугоплавких – W, Mo, Ta, Re и других металлов – Ni, Ti, Zr, Fe и их сплавов, сталей, многих полупроводников и диэлектриков – кремния, поликристаллического алмаза, сапфира, графита, карбидов и нитридов, прозрачных материалов [15–19]. Кроме того, для обеспечения высокого качества реза, характеризуемого минимальной зоной термического влияния (≤3 мкм) и шероховатостью (≤1 мкм), нестабильность оси диаграммы направленности пучка излучения должна быть на три–четыре порядка меньше дифракционной расходимости [θдифр / (103–104)].
При малых уровнях мощности излучения (1–10 Вт) ЛПМ обычно конструктивно выполняется в виде отдельного генератора с одним АЭ и оптическим резонатором. Для получения средних (20–100 Вт) и особенно высоких (единицы–десятки кВт) уровней мощности излучения применяются ЛСПМ, работающие по схеме задающий генератор – усилитель мощности (ЗГ – УМ) с одним или несколькими АЭ в качестве УМ. В ЛСПМ по сравнению с ЛПМ, работающем в режиме единичного генератора, достигаются более высокие мощности и КПД и соответственно производительность микрообработки [6, 10]. Эти импульсные лазеры используются и в качестве эффективных источников накачки нелинейных кристаллов (НК) типа ВВО, КDР, DКDР, преобразующих видимое излучение ЛПМ во вторую гармонику – 255,3, 289,1 и 272,2 нм, т. е. в ультрафиолетовую область спектра с КПД 10–25%. Такие перестраиваемые лазерные системы предпочтительны для микрообработки органических материалов и полимеров [5, 6, 10, 20, 21].
СО2-лазеры
В технологии обработки материалов традиционно широко применяются СО2-лазеры с длиной волны λ = 10,6 мкм. Мощные СО2-лазеры и твердотельные ИК-лазеpы (1–30 кВт) преимущественно используются для высокоскоростной резки, раскроя и сварки черных металлов и нержавеющей стали толщиной 1–30 мм. Однако из-за высокого коэффициента отражения (>95%) такие высокотеплопроводные металлы как Cu, Al, Au и Ag обрабатывать излучением СО2- и другими ИК–лазеpами не эффективно. К наиболее известным производителям коммерческих лазерных технологических комплексов (ЛТК), создаваемых на их основе, относятся следующие фирмы: Bystronic (Швейцария), Trumpf и Rofin–Sinar Laser (Германия), Koike и Mitsubishi Electric (Япония), Salvagnini (Италия), Рухсервомотор (Белорусь), Hankwang (Южная Корея), Hans Laser (Китай), «ТехноЛазер» (Шатура, Моск. обл.), НТО «ИРЭ–Полюс» (Фрязино, Моск. обл.), IPG Photonics Corporation, АО «НПП «Исток» им.Шокина» (Фрязино, Моск. обл.), ООО НПЦ «Лазеры и лазерные технологии» (Зеленоград) [20, 22–32].
Твердотельные стержневые лазеры
Близкий к ЛПМ по мощности и КПД широко распространенный твердотельный лазер на основе стержневого иттрий–алюминиевого граната с неодимом (Nd : YAG) с λ = 1 064 нм и удвоением частоты на нелинейных кристаллах с λ = 532 нм, из-за возникновения тепловых деформаций в рабочем стержне, имеет расходимости излучения больше дифракционного предела. Маломощные Nd : YAG–лазеры массово применяются для маркировки и гравировки деталей, узлов и готовых изделий в процессе их производства, мощные – для сварки и раскроя металлов, включая алюминий [22–32].
Дисковые и волоконные лазеры
По совокупности параметров для микрообработки материалов самыми близкими к ЛПМ являются высокоэффективные (КПД до 20%) импульсные твердотельные дисковые иттербиевые лазеры (Yb : YAG) с диодной накачкой и длиной волны излучения λ = 1 030 нм производства таких известных немецких фирм как Trumpf и Rofin–Sinar Laser. Дисковые лазеры дают наилучшее решение для значительного ряда промышленных применений. Диск – простой и легко возбуждаемый АЭ лазера, который позволяет генерировать по своим параметрам излучение высокого качества. При большой излучающей поверхности дискового лазера плотность мощности для него не критична даже при высоких значениях пиковой мощности. У волоконных иттербиевых лазеров (КПД до 30%), по сравнению с дисковыми, повышение пиковой мощности негативно влияет на качество излучения и эксплуатационную надежность в первую очередь резонатора. Другим заметным недостатком волоконного лазера является его высокая чувствительность к отраженному излучению, которое возникает при взаимодействии с высокоотражающими материалами (медь, бронза, алюминий и т. д.). Волоконные лазеры разрабатывают и производят такие фирмы как IPG Photonics Corporation (США), Lumera Laser (США), Light Conversion Ltd. (Литва), НТО «ИРЭ–Полюс», Авеста Проект и Laser–Form (Россия). Мощные, многокиловаттного уровня дисковые и волоконные лазеры применяются в основном для высокоскоростной прецизионной резки и раскроя, сварки и закалки металлических материалов [20, 22–32].
Этого класса лазеры выпускаются и в сочетании с НК, при этом за счет удвоения и утроения частоты основного излучения формируется УФ–излучение с длинами волн λ = 0,515 и 0,343 мкм. Достигнуты пико– и фемтосекундные значения длительности импульсов при частоте повторения от кило– до мегагерц (см. табл.). С высокочастотными пико- и фемтосекундными лазерами, из-за малого времени воздействия излучения на вещество, достигается наиболее высокое качество микрообработки – минимальная (субмикронная) зона термического влияния (ЗТВ) практически без образования расплава [33]. Дисковые короткоимпульсные лазеры в основном применяются в тех случаях, когда нельзя достигнуть высокого качества обработки другими лазерами, например, в автомобилестроении для сверления микроотверстий в нержавеющей стали для форсунок инжекторных двигателей или для изготовления медицинских стентов для расширения кровеносных сосудов. Эти дорогие лазеры в процессе производственной эксплуатации для обеспечения стабильных выходных параметров излучения требуют дополнительных жестких условий защиты от внешних воздействий. В тоже время наш опыт показывает, что в несколько раз более дешевый ЛПМ с наносекундной длительностью импульсов во многих случаях обеспечивает микрообработку материалов с высокой производительностью, приемлемым качеством и рентабельностью [6, 15–20].
Эксимерные лазеры
Эксимерные газовые лазеры на галоидных соединениях на инертном газе (ArF, KrF, XeCl, XeF) и димерах инертного газа (Ar, Kr) работают, как и ЛПМ, в импульсном режиме с наносекундной длительностью, но имеют более короткие длины волн излучения (λ = 157; 193; 248; 282; 308; 351 нм), т. е. генерируют в ближнем УФ-диапазоне (см. табл.) [20, 29, 30]. Они широкого применяются в полупроводниковом производстве для фотолитографии и маркировки, а также обработки пластиков, керамики, кристаллов, биологических тканей. Но из–за относительно большой расходимости и меньших рабочих частот повторения импульсов (ЧПИ) (до 1–5 кГц) качество и производительность обработки материалов снижаются. В то же время более высокочастотный ЛПМ за счет применения нелинейных кристаллов обеспечивает производительную и качественную микрообработку и в ультрафиолетовой области спектра [5, 10].
Диодные лазеры
Диодные лазеры имеют небольшие размеры и могут выпускаться большими партиями при относительно низких затратах. Большинство диодных лазеров генеpиpуют в ближней ИК-области (λ = 800–1 000 нм). Они надежны и долговечны, но имеют большую расходимость излучения, и выходная мощность единичного элемента ограничена. Диодные лазеры находят применение во многих сферах человеческой деятельности, в основном – в секторе телекоммуникаций и оптической памяти, а также в большом количестве используются в качестве источников накачки твердотельных и волоконных лазеров. Разработанная технология сложения единичных диодов в диодные линейки позволяет увеличивать среднюю мощность лазера до 1–3 кВт, что достаточно для высокопроизводительной и качественной сварки, например, алюминиевых деталей.
Состояние и развитие ЛПМ и ЛСПМ
Сравнительный анализ импульсных ЛПМ и ЛСПМ, генерирующих в видимой области спектра, с другими известными типами технологических лазеров, проведенный во введении, показывает, что по совокупности выходных параметров излучения эти лазеры остаются перспективными для прецизионной микрообработки материалов [5, 6, 10, 15–19]. Следует также подчеркнуть, что, кроме микрообработки, важными областями применения этих лазеров являются селективная технология по разделению изотопов, спектральные исследования состава твердотельных, жидких и газовых веществ, усилители яркости изображения микрообъектов, нанотехнология и др. [5, 6, 10–12, 20].
В современном технологическом оборудовании широко используются СО2, твердотельные дисковые и волоконные, эксимерные, азотные и диодные лазеры. Применение же импульсного ЛПМ в специализированном оборудовании, несмотря на уникальную совокупность его выходных параметров, тем не менее крайне ограничено, что обусловлено малым количеством на рынке коммерческих моделей с высокими надежностью и качеством излучения. Такая ситуация, по–видимому, сложилась по ряду причин. Во–первых, во многих НИИ России (СССP) проводились в основном широкомасштабные теоретические и экспериментальные исследования физических процессов в ЛПМ, а не промышленные разработки. Во–вторых, в передовых зарубежных странах (США, Англия, Франция, Япония) основные усилия были направлены на исследования и разработку высокомощных ЛСПМ типа ЗГ–УМ в обеспечении программ лазерного разделения изотопов по AVLIS технологии для нужд ядерной энергетики. В то же время разработки наиболее популярных коммерческих ЛПМ, к которым относятся лазеры малого (1–20 Вт) и среднего (30–100 Вт) уровней мощности, оставались как бы в стороне. В–третьих, за последние 10–15 лет лазерный рынок был представлен относительно большим количеством разновидностей ЛПМ с низким уровнем надежности и качества излучения, что снизило пользовательский спрос на данный тип лазера. Несмотря на сложившуюся ситуацию, ряд отечественных и зарубежных организаций продолжают работы по созданию новых коммерческих моделей ЛПМ и ЛСПМ и на их основе современного технологического оборудования для микрообработки материалов и разделения изотопов, медицинской и исследовательской аппаратуры. К ним относятся АО «НПП «Исток» им. Шокина» (Фрязино Моск. обл.), ООО «НПП «ВЭЛИТ» (Истра, Моск. обл.), ЗАО «Чистые технологии» (Ижевск), Физический институт им.П.Н. Лебедева РАН, Oxford Lasers (Англия), университет Маккуари (Австралия) и «Pulse Light» (Болгария). По мощным ЛСПМ, предназначенным для технологии разделения изотопов, лидируют Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса (США), где средняя мощность доведена до 72 кВт и РНЦ «Курчатовский институт». Исследования продолжаются в Институте общей физики РАН им. А. Н. Прохорова (Москва), ТГУ и Институте оптики и атмосферы СО РАН (г. Томск), Институте физики полупроводников (г. Новосибирск), ООО «НПО «Мехатрон», Санкт-Петербургском государственном политехническом университете, Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики, МГТУ им. Н. Э. Баумана и Объединенном институте высоких температур РАН (Москва).
Реализация преимуществ импульсного ЛПМ
Для реализации преимуществ импульсного излучения ЛПМ в технологии по микрообработке материалов и других современных технологий необходимо было создание нового поколения высокоэффективных промышленных ЛПМ и ЛСПМ и на их основе современного прецизионного технологического оборудования. Поставленная цель была достигнута за счет выполнения следующих задач:
разработки эффективных, долговечных и со стабильными параметрами промышленных отпаянных лазерных АЭ на парах меди со средней мощностью излучения 1–100 Вт;
разработки и исследования высокоэффективных и надежных схем исполнения высоковольтного модулятора ИП с наносекундной длительностью импульсов накачки;
исследования высокоселективных оптических резонаторов и систем по формированию в ЛПМ и ЛСПМ однопучкового излучения дифракционного качества и со стабильными параметрами для достижения высоких пиковых плотностей мощности (109–1012 Вт / см2);
исследования свойств АС импульсного ЛПМ и разработки на их основе методов и электронных устройств для оперативного управления мощностью и ЧПИ излучения;
разработки на базе нового поколения отпаянных АЭ, высоковольтных модуляторов для ИП, высокоселективных оптических систем и оперативных методов управления параметрами излучения промышленных технологических ЛПМ и ЛСПМ мощностью излучения до 100 Вт с высокими надежностью, эффективностью, качеством и стабильностью параметров излучения;
создания современных автоматизированных лазерных технологических установок (АЛТУ) типа «Каравелла» на базе промышленных ЛПМ и ЛСПМ и современных прецизионных трехкоординатных столов XYZ для производительной и качественной прецизионной лазерной микрообработки материалов;
определения оптимальных плотностей пиковой и средней мощности излучения ЛПМ для эффективной микрообработки фольговых (0,01–0,2 мм) и тонколистовых (0,3–1 мм) материалов.
Промышленные отпаянные АЭ импульсного ЛПМ
В процессе разработки за основу конструкции как первых моделей АЭ импульсного ЛПМ, так и нового поколения промышленных отпаянных АЭ серии «Кулон» малого (1–20 Вт) и «Кристалл» среднего (30–100 Вт) уровней мощности с рабочей температурой разрядного канала 1 600–1 700 °C взята конструкция саморазогревного АЭ с внутривакуумным расположением теплоизолятора, предложенная сотрудниками Физического института им. П. Н. Лебедева РАН и АО «НПП «Исток» им. Шокина» (Фрязино. Моск. обл.). Конструкция, технология обезгаживания и очистки после обезгаживания разработанных промышленных отпаянных АЭ серии «Кулон» и «Кристалл» идентичны и отличаются лишь размерами функциональных узлов и временем обезгаживания и очистки. Мощность каждой отдельной модели АЭ определяется в конечном итоге диаметром и длиной разрядного канала. Диаметр и длина разрядного канала АЭ «Кулон» со средней мощностью излучения 1 Вт составляют 7 и 140 мм, мощностью 5 Вт – 12 и 340 мм, 20 Вт – 14 и 625 мм, АЭ «Кристалл» мощностью 30 Вт – 20 и 930 мм, 55 Вт – 32 и 1230 мм, 100 Вт – 45 и 1520 мм. Высокие КПД, мощность, долговечность, качество и стабильность параметров излучения в промышленных отпаянных АЭ «Кулон» и «Кристалл» достигнуты за счет реализации комплекса научно–технических и технологических решений:
Проведена оптимизация параметров излучения АЭ по потребляемой мощности, давлению буферного газа неона и водорода, частоте повторения и параметров импульсов накачки. В качестве генератора накачки использовался тиратронный ИП, высоковольтный модулятор которого выполнен по схеме емкостного удвоения напряжения с магнитными звеньями сжатия наносекундных импульсов тока и анодным реактором, являющийся по результатам исследований на сегодня самым надежным и простым в эксплуатации и эффективным по условиям возбуждения АС лазера [6, 34, 35]. По сравнению с классической схемой длительность формируемых импульсов тока укорачивается в 2 раза, с 250–300 нс до 120–150 нс, что приводит к увеличению мощности излучения также в 2 раза, КПД в 1,5 раза за счет повышения оптимальной рабочей температуры и, как следствие, концентрации паров меди в АС примерно в 2–2,5 раза, увеличивается в несколько раз срок службы коммутатора–тиратрона (более 2 000 ч) и коммутируемая мощность (до 5–10 кВт) за счет снижения в нем потерь мощности.
АЭ серии «Кулон», АЭ «Кристалл» (ГЛ‑205) выпускаются с просветленными выходными окнами. Основу оптимизации по достижению максимальных рабочих значений КПД и мощности излучения составили результаты комплекса проведенных уникальных экспериментальных исследований. Конструкция и технология изготовления АЭ ГЛ‑205Г на парах золота идентичны модели ГЛ‑205А на парах меди и отличается только составом активного вещества, повышенной рабочей температурой разрядного канала (Тк ≈ 1 700 °C) и соответственно длиной волны излучения (λ = 578,2 нм) (см. табл.), что несколько снижает срок службы АЭ.
Высокоселективные оптические резонаторы и системы по формированию в ЛПМ и ЛСПМ однопучкового излучения дифракционного качества
В работе особое внимание было обращено исследованию оптических резонаторов ЛПМ, т. к. они определяют характеристики и качество выходного излучения. В процессе этих исследований была раскрыта динамика формирования и структура излучения ЛПМ. Установлено, что в ЛПМ в режиме отдельного генератора с оптическим резонатором структура выходного излучения многопучковая, причем каждый пучок обладает своими пространственными, временными и энергетическими характеристиками. При этом распределение интенсивности излучения ЛПМ в плоскости фокусировки имеет ступенчатый, неравномерный характер, что в принципе не пригодно для качественной микрообработки и препятствовало созданию на базе ЛПМ современного технологического оборудования. Наибольший интерес вызвали исследования ЛПМ с оптическими системами, обладающими высокой пространственной селективностью: с одним выпуклым зеркалом, с телескопическим неустойчивым резонатором (НР) и НР с двумя выпуклыми зеркалами, в результате которых были определены условия формирования однопучкового излучения дифракционного качества с высокой стабильностью параметров [6, 15, 16]. На основе законов геометрической оптики, с учетом дифракционного предела расходимости, выведены формулы для расчета расходимости выходного пучка излучения ЛПМ для этих трех оптических систем и определены условия формирования в них однопучкового излучения дифракционного качества со стабильными параметрами.
Формула для расчета расходимости излучения при работе ЛПМ в режиме генератора с одним выпуклым зеркалом имеет следующий вид (см. печатное издание или пдф файл).
Чем меньше радиус кривизны зеркала (R) и диаметр апертуры разрядного канала (Dк,) и больше расстояние от зеркала до выходной апертуры разрядного канала (l), тем ближе расходимость (θ) к дифракционному пределу – θдифр = 2,44λ / Dк. При радиусах R на один–два порядка меньших расстояния l расходимость пучка становится близкой к дифракционной (θ = 2–4 θдиф), а плотность пиковой мощности в пятне сфокусированного пучка излучения достигает значений 109 Вт / см2, достаточными для производительной микрообработки фольговых материалов и раскроя припоев (0,02–0,1 мм). Для обработки более толстых материалов ЛПМ с одним выпуклым зеркалом применяется в качестве ЗГ в ЛСПМ типа ЗГ – пространственный фильтр коллиматор (ПФК) – УМ, когда при использовании АЭ «Кристалл» моделей ГЛ‑205А и ГЛ‑205Б в качестве УМ мощность излучения возрастает более чем на порядок (30–60 Вт) [6, 16].
Применение ЛПМ в режиме генератора с телескопическим НР в качестве ЗГ в ЛСПМ типа ЗГ – ПФК – УМ явилось основой для создания современной промышленной АЛТУ «Каравелла‑1» мощностью излучения 10–15 Вт для прецизионной микрообработки металлических материалов толщиной до 0,5 мм и неметаллических до 1–1,2 мм; с НР с двумя выпуклыми зеркалами в качестве ЗГ в ЛСПМ – основой для создания самой мощной промышленной АЛТУ «Каравелла‑1М» (20–25 Вт) для прецизионной микрообработки металлических материалов толщиной до 1 мм и неметаллических до 1,5–2 мм ИЭТ [17]; с телескопическим НР и ПФК на его выходе – основой для создания компактных маломощных современных промышленных АЛТУ «Каравелла‑2» и «Каравелла‑2М» (5–8 Вт) для прецизионной микрообработки металлических материалов толщиной до 0,3 мм и неметаллических до 0,5–0,7 мм изделий ЭТ [18].
В ЛСПМ, работающей по схеме ЗГ–УМ, обеспечиваются максимальные КПД (2–3%), мощности (≥100 Вт) и плотности пиковой мощности излучения (до 1013 Вт / см2)
Оперативное управление мощностью и ЧПИ излучения в ЛСПМ типа ЗГ – УМ по заданному алгоритму производится за счет высокоскоростной рассинхронизации оптического сигнала (импульса излучения) ЗГ из зоны поглощения активной среды УМ в зону его усиления или прозрачности и наоборот.
Заключение
В процессе большого объема выполненных экспериментальных работ определились наиболее перспективные технологические направлений по созданию специального оборудования на основе лазерных элементов на парах металлов для использования в процессах микрообработки материалов наносекундным излучением с целью их масштабирования на широкий производительный уровень.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ см. печатное издание журнала
Отзывы читателей
