Введение к работе
Актуальность темы, В результате обширных теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в стране и за рубежом, накоплен значительный опыт разработки и эксплуатации технологического оборудования, основанного на локальном термическом нагреве поверхности материалов концентрированным лазерным излучением. Фазовые превращения конденсированных сред (плавление, испарение, переходы второго рода), происходящие при таком нагреве, являются физической основой многих традиционных технологических процессов, таких как разделение материалов, сварка, закалка, легирование, полировка поверхности и др. Практически все термические процессы, происходящие при взаимодействии лазерного излучения с веществом, базируются на поглощении излучения в тонком (порядка длины волны) поверхностном слое материала. Далее в глубь материала энергия лазерного пучка передается за счет теплопередачи от облученной поверхности. Такой механизм нагрева является доминирующим как при термообработке металлов, так и диэлектриков, и имеет ряд существенных ограничений.
Скорость иаітрева и производительность термических операций зависит от скорости распространения тепла в объем материала. При этом величина нагреваемого объема, максимальное приращение температуры и температурный профиль регулируются лазерной мощностью, распределением мощности по сечению пучка и временем нагрева. Часто для уменьшения градиента температуры в нагреваемой области уменьшают плотность мощности и увеличивают время нагрева, что приводит к ухудшению локальности нагрева и потере производительности. Поверхностное тепловыделение, характерное для термических операций, выполняемых, например, с помощью СОг - лазеров, учитывая изотропность процесса теплопроводности и малую величину коэффициента теплопроводности для многих диэлектрических материалов, не позволяет реализовать потенциальные возможности лазерной технологии с точки зрения повышения энерговклада в активную технологическую зону и локальности воздействия.
Между тем, исследования показали, что для широкого круга диэлектриков существует возможность их более эффективного нагрева за счет выделения энергии в обьемс вещества. Эта возможность обусловлена тем обстоятельством, что характер лазерного нагрева зависит не только от мощности воздействующего излучения, но и от свойств обрабатываемого материала, и прежде всего от коэффициента поглощения материала в спектральном диапазоне излучения источника нагрева. Для многих материалов коэффициенты поглощения существенно зависят от длины полны н варьируются в широких
4 пределах в некоторых спектральных диапазонах. Соотвегственно, характерный объем поглощения энергии и объем ее тепловыделения также зависит от длины волны. Поэтому, варьируя длину волны в пределах полосы поглощения, можно существенно регулировать объем тепловыделения, а следовательно и управлять характером термического нагрева. В частности, можно переходить от поверхностного к объемному нагреву материала и наоборот. В то время как значения практически важных для термических процессов параметров(мощности излучения, диаметра пучка па объекте, времени воздействия, теплофизических характеристик материалов) варьируются обычно в пределах порядка величины, характерный объем поглощения энергии при вариации длины волны, а следовательно и объемная плотность поглощаемой материалом энергии, может меняться на несколько (3-4 и более) порядков величин. Поэтому длина волны является одним из главных факторов, определяющих возможности эффективного нагрева вещества излучением.
Механизм объемного радиационного нагрева материалов имеет ряд преимуществ в сравнений с традиционным поверхностным нагревом. К этим преимуществам относятся: возможность локализации зоны нагрева; снижение градиента температуры по глубине материала; снижение температуры на поверхности материала и соответственно снижение вероятЕїости образования плазмы, рассеивающей, поглощающей и отражающей энергию падающего излучения; возможность повышения плотности мощности на поверхности материала без испарения вещества; повышение стабильности нагрева; снижение требований к уровню мощности источника нагрева и энергопотреблению оборудования и ряд других.
. Проведенный анализ показал, что для большого круга веществ и материалов, широко используемых при производстве изделий электронной техники (ИЭТ) и волоконно-оптических устройств, характеристические частоты и полосы фундаментального поглощения расположены в диапазоне 2,5...8 мкм. В число веществ, поглощающих в этих областях спектра, входят такие технически важные материалы как стекла, кварц, окислы, керамики, легированные полупроводники, сегнетоэлектрики.
Однако, изложенная концепция управляемого объемного и поверхностного нагрева и указанные преимущества радиационного нагрева долгое время не могли быть реализованы, т.к. в области 2,5...8 мкм отсутствуют некогерентные источники высокомощного локализованного термического нагрева. Поэтому для решения проблемы разработки лазерного оборудования особый интерес представляют СО-лазеры, излучающие в области 4,8...8,2 мкм, т.к. они являются практически единственными источниками высокоинтенсивного непрерывного излучения, способными обеспечить достижение
5 плотности мощности 104...107 Вт/ см2 и выше и реализовать термические технологии управляемого нагрева.
Наиболее перспективным вариантом СО-лазера для широкого применения представляются лазеры с электрической накачкой (газоразрядные лазеры) с отпаянными активными элементами (ОАЭ). Создание СО-лазеров с ОАЭ, обладающих высокой надежностью и комплексом эксплуатационных параметров, необходимых для применения в промышленности, может быть достигнуго только при решении проблемы сохранения и воспроизводства химического состава рабочей смеси в замкнутом объеме. Решение этой проблемы требует исследования физико-химических процессов и механизмов, определяющих стабильность давления газовой смеси, и развития техники управления составом лазерной смеси. Токсичность окиси углерода (угарного газа) и взрывоопасность продуктов плазмохимических реакций остро ставит также проблемы техники безопасности обслуживающего персонала и экологической защиты окружающей среды. Поэтому только этот класс СО-лазеров (без непрерывного обновлення рабочей смеси в рабочем объеме и выброса продуктов плазмохимических реакций в атмосферу) может реально обеспечить высокую экологическую безопасность, простоту конструкции, возможность работы при "комнатной" температуре охлаждения активного элемента
В свою очередь, в отсутствии простых, надежных и удобных в эксплуатации СО-лазеров с ОАЭ, являющихся важнейшим элементом технологической установки, не могла решаться и задача разработки эффективного технологического оборудования, использующего концепцию управляемого объемного и поверхностного нагрева материалов, с минимальным энергопотреблением и повышенной производительностью.
Цель работы. Решение проблемы разработки и внедрения в промышленность нового поколения лазерного технологического оборудования, реализующего эффективные термические технологии управляемого объемного и поверхностного нагрева материалов электронной техники, на основе нового промышленного класса СО-лазеров с отпаянными активными элементами.
Задачи исследования. Для достижения цели работы решены следующие основные задачи:
1. Разработка электроразрадных СО-лазеров, выявление и исследование основных физических и электрохимических процессов в плазме лазеров с ОАЭ, разработка методов управления химическим составом в замкнутом рабочем объеме активного элемента.
2.Создание научных основ производства и разработки промышленных конструкций нового класса СО-лазеров с ОАЭ, обладающих высокими эксплуатационными
характеристиками и являющихся основой для построения лазерного технологическог оборудования.
3. Исследование физических закономерностей управляемого объемного
поверхностного нагрева диэлектрических материалов, максимумы и границы поглощсни
которых совпадают со спектральным диапазоном лазерной генерации.
4. Разработка ряда новых технологических процессов и нового поколения лазерног
технологического оборудования, основанных на управлении объемным и поверхностны!
нагревом диэлектрических материалов, используемых в производстве серийных изделиі
электронной техники и вытяжке высококачественных кварцевых световодов.
Научная новизна Основные результаты, приведенные в работе относятся к категорії] полученных впервые. Некоторые из этих результатов приводятся ниже.
1. Впервые установлена и экспериментально доказана связь характеристик активної
среды и плазмохимических явлений в рабочей смеси ОАЭ. Проанализированы основньи
элементарные столкновительные процессы и химические реакции, определяющиі
энергетические характеристики и параметры надежности СО-лазеров. Выявлены три груяпь
процессов и показана роль отдельных компонентов лазерной смеси СО- N2 - Хе - Не і
создании колебательно - возбужденных молекул СО в активной среде электроразрядногс
СО-лазера, процессы дезактивации возбужденных молекул,, а также процессы, связанные <
диссоциацией молекул СО под действием электрического разряда и последующие физико-
химические превращения продуктов диссоциации при взаимодействии с компонентамі
лазерцой смеси, стенками и электродами активного элемента.
2. Впервые показано, что роль газа с низким потенциалом ионизации и низкой
химической активностью (например, Хе или Кг) в ОАЭ СО-лазеров заключается прежде
всего в сохранении исходного состава лазерной смеси за счет уменьшения скорости
химических реакций, активизируемых плазмой газового разряда. Влияние таких газов на
химический состав смеси проявляется через влияние на функцию распределения электронов
по энергиям в плазме газового разряда. Низкий потенциал ионизации газов способствует
образованию плазмы с пониженным числом высокоэнергетических электронов, способных к
диссоциации и ионизации, приводящих к накоплению молекул СОг, разрушающих лазерную
среду в процессе резонансного обмена колебательной энергией между молекулами СО и СОг.
3. Впервые показано, что уменьшение парциального давления кислорода и
углекислого газа в смеси может бьггь достигнуто смещением химического равновесия в
сторону увеличения СО в реакции СО + е <-> С + О за счет увеличения количества одного из
продуктов диссоциации СО. Увеличение скорости ухода образующегося в плазме
7 атомарного кислорода возможно как за счет увеличения массы одного из компонентов реакции (С), так и за счет активации реакции окисления углерода электронами плазмы.
-
Впервые показано, что необходимым условием эффективности лазерной накачки в отпаянных СО-лазерах является подавление плазмохимической генерации молекул СОг. Только при обеспечении этого условия в отпаянных СО-лазерах реализуется ангармонический механизм ступенчатого возбуждения высоких колебательных уровней и эффективное преобразование электрической энергии в лазерное излучение.
-
Впервые показано, что в процессе взаимодействия примесей Ог, СО2, Нг и Н20 с углеродом, активируемым ионной бомбардировкой, происходит уменьшение концентрации примесных молекулярных газов до величин, не ухудшающих энергетические характеристики СО-лазера.
-
Впервые показано, что предложенный метод регенерации лазерной смеси с участием ионно-гетерогенных процессов на углеродной поверхности позволяет решить проблему воспроизводимости лазерных и электрических характеристик приборов после длительного (более 10 лет) хранения.
-
Впервые сформулированы требования к конструкции и технологии изготовления СО-лазерных излучателей с ОАЭ. Обоснованы и разработаны основополагающие принципы технологии промышленного производства ОАЭ. Показано, что первостепенное значение для производства СО-лазеров с ОАЭ, обладающих высокими энергетическими параметрами и приемлемыми для практики ресурсом и сохраняемостью, имеет ограничение парциального давления примесных газов в лазерной смеси.
-
Впервые разработан и освоен в промышленности новый класс СО-лазсров с ОАЭ, обладающих высокими энергетическими (до 30 Вт/м разряда и КПД около 18...20 % ) и эксплуатационными характеристиками. Разработанные приборы не имеют зарубежных аналогов.
9. Впервые измерено поглощение многолинейчатого и монохроматизированного
перестраиваемого излучения СО-лазера в ряде боросиликатных стекол и кварце,
используемых в конструкциях ИЭТ. Установлена возможность высокотемпературного
объемного нагрева стекол излучением СО-лазера. Развиты представления о возможности
реализации управляемого объемного нагрева диэлектрических материалов, максимумы и
границы поглощения которых совпадают со спектром излучения СО-лазера.
10. Впервые показано, что использование объемного радиационного нагрева
позволяет существенно уменьшить массу расплавляемого материала и исключить
непроизводительные потери тепла в соединяемых сваркой деталях. Исключение механизма теплопроводности из процесса нагрева уменьшает время нагрева и затраты энергии.
11. Впервые предложен и реализован эффективный метод многофункционального нагрева лазерным излучением поверхности и объема кварцевых заготовок (испарение, полировка) и вытяжки высокопрочных кварцевых световодов, в том числе анизотропных световодных структур с нециркулярной сердцевиной.
Основные положения, выносимые на защиту.
1.Доказано, что основным процессом ограничивающим и определяющим энергетические характеристики, долговечность, надежность и спектр генерации СО-лазера с ОАЭ является конверсия излучающих молекул СО в молекулы СОг, дезактивирующие возбужденные молекулы и разрушающие инверсию на колебательно-вращательных переходах. Химическая активность и неустойчивость излучающих молекул в плазме газового разряда приводят к возникновению в газовой смеси интенсивного резонансного обмена колебательной энергией между молекулами СО и СОг и высокой скорости релаксации потенциальной (колебательной) энергии молекул в поступательную (тепловую) энергию. Эффективным средством снижения скорости конверсии является обогащение лазерной смеси-компонентами с более низким, чем для молекулы СО, потенциалом ионизации и низкой химической активностью.
2.Радикальным средством, позволяющим целенаправленно изменять химический состав активной среды отпаянного СО-лазера и управлять физическим и физико-химическим комплексом механизмов и процессов, является использование гетерогенных электрохимических реакций на поверхности твердофазного углерода. Использование совокупности химических реакций
С02 + С ЭП-ра3рЯД > 2СО
02 + С ЭП-раЗРЯД > 2СО
эп. разряд ..
н2о + с ———> со + н2
является мощным средством оптимизации активной среды и ее долговременной сохраняемости. Реакции кислородосодержащих соединений на графите - основа технологии
9 производства, оптимизации энергетических параметров активной среды СО-лазеров с ОАЭ, их стабилизации и восстановления после длительного хранения.
3. Использование объемного нагрева веществ лазерами с длинами волн, близкими к границе
фундаментального поглощения, открывает возможность развития новых областей
применения лазеров и принципов использования их излучения для эффективного
управляемого нагрева веществ, а также позволяет улучшить качество и процент выхода
особо сложной продукции электронной техники, обеспечивая высокую точность и
воспроизводимость геометрических размеров вакуумных оболочек миниатюрных серийных
приборов СВЧ диапазона и электронно-лучевых приборов.
4. Многофункциональный нагрев кварцевых заготовок лазерным излучением' среднего
инфракрасного диапазона позволяет осуществлять эффективную управляемую обработку
поверхности (испарение, полирока) и вытяжку высокопрочных . кварцевых световодов с
характеристиками, близкими к физическому пределу.
Реализация в промышленности. Разработано 11 типов промышленных газоразрядных СО-лазеров с ОАЭ с уровнем мощности от 1 до 300 Вт. Шесть типов СО-лазеров освоены в промышленном производстве (ИЛГН-706, ИЛГН-711, ИЛГН-713, ИЛГН-715, ИЛГН-705 СОиИЛГН-711М).
Разработано новое поколение лазерного технологического оборудования для формования и сварки вакуумных оболочек миниатюрных серийных СВЧ-нриборов, для заварки стеклооболочек электронно-лучевых приборов и их герметизации. Оборудование внедрено на заводах "Рений" и "Платан" (Московская область), а также на заводе "Знамя" (Полтава), и используется при выпуске серийных изделий.
Разработаны технология и лазерные технологические установки для обработки поверхности заготовки (испарение, полировка) и вытяжки высокопрочных кварцевых световодов. Результаты внедрены на заводе "Электропровод" (Москва).
Разработана технология сварки кварцевых световодов и кварцевых нитей. Результаты внедрены в НПО "Дельфин" (Москва).
Разработанные СО-лазеры и установки на их основе используются на более чем 300 предприятиях страны для решения ряда конкретных задач в технологии, анализе, научных исследованиях и др.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы, являющейся обобщением многолетних исследований автора в области создания лазерного оборудования
r 10 для производства электронной техники и лазерного приборостроения докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
V Всесоюзное совещание по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом (г. Ленишрад, 1981).
II Всесоюзная школа "Применение лазеров в технологии" (г. Нарва, 1982).
IV Всесоюзная конференция "Оптика лазеров - 84" (г. Ленинград, 1983).
Всесоюзная конференция по применению лазеров в медицине (г. Красноярск, 1983).
Ш Всесоюзная школа "Актуатьные вопросы лазерной техники и технологии" (г. Звенигород, 1984).
VI Всесоюзная конферешдия по нерезонаненрму взаимодействию оптического излучения с веществом (г. Паланга, 1984).
II Всесоюзная научно-техническая конференция "Применение лазеров к технологии, системах передачи и обработки информации" (г. Ленинград, 1984),
Научный совет ПШТ "О мерах по расширению работ в области создания медицинских волоконных лазерных приборов" (г. Алма-Ата, 1985).
VII Всесоюзная конференция по методам получения и анализа высокочистых веществ (г. Горький, 1985).
XII Всесоюзная конференция по когерентной и нелинейной оптике (г. Москва, 1985).
II Научно-техническая конференция "Применение лазеров в науке и технике" (г. Омск, 1985). ' '
Научно-техническая конференция "Использование достижений электронной техники и технологии в медицине и биологии" (г. Фрязино, 1985).
II отраслевая научно-техническая конференция "Газовые лазеры - перспективы разработки, производства и применения" (г. Рязань, 1986).
Научно-техническая конференция "Применение лазерной технологии и контроль качества металлопродукции" (г. Магнитогорск, 1985).
V Всесоюзная конференция "Оптика лазеров - 87" (г. Ленинград, 1986).
I Республиканский семинар "Лазерная технология" (г. Вильнюс, 1987).
III Всесоюзная конференция "Применение, лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации" (г. Таллинн, 1987).
Всесоюзный семинар "Лазеры напарах металлов и их применение" (г. Новосибирск, 1989).
Международная конференция "Biomedical Optics 90" (г. Лос-Анджелес, США, 1990).
Научно-технический семинар "Методы диагностики и использование приборов на основе
квантовой оптоэлектроники" (г. Саратов, 1990).
Всесоюзный семинар "Газовые и плазменные лазеры в микроэлектронике" (г. Суздаль, 1989).
V Международный конгресс Европейской ассоциации "Лазеры в медицине" (г. Грац, Австрия, 1990).
Международная конференция по мощным лазерам OE/LASF.-91 (г. Лос-Анджелес, США, 1991).
Международная конференция "BIOMEDICAL OPTICS - 91" (г. Лос-Анджелес, США, 1991).
Международный семинар "Лазеры в медицине" (г. Бурбах. ФРГ, 1991).
Международная конференция по мощным лазерам OE/LASE-92 (г. Лос-Анджелес, США, 1992).
Международная конференция "BIOMEDICAL OPTICS - 93" (г. Лос-Анджелес, США, 1992).
Международный симпозиум "BIOMEDICAL OPTICS EUROPE - 93" (г. Будапешт, Венгрия, 1993).
Международная конференция "Новые достижения лазерной медицины" (г. Санкт-Петербург, 1993).
Международная конференция (г. Роттердам, Голландия, 1994).
Международная конференция "BIOMEDICAL OPTICS EUROPE - 94" (г. Лилль, Франция, 1994).
Научно-технический семинар LMZ (Зап. Берлин, 1990,1992).
Научно-технический семинар НИИ-12 (г. Пекин, Китай, 1993).
Международная конференция ОЕЛ^АБЕ Photonics West - 95 (г. Сан-Хосе, США, 1995).
Публикации по работе. По теме диссертации опубликовано более 80 печатных работ, в том числе монография, изданная в соавторстве с Алейниковым B.C. (Лазеры на окиси углерода. М., Сов. Радио, 1990). Полный список печатных работ автора — 247 наименований.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Основное содержание изложено на 3.SQ страницах машинописного текста, иллюстрированного 12 4 рисунками и 3 таблицами.