автореферат диссертации по электронике, 05.27.07, диссертация на тему:Разработка лазерного технологического оборудованияуправляемого объемного и поверхностного нагреваматериалов электронной техники

о

> На правах рукописи

Со

см

МАСЫЧЕВ Виктор Иванович

Разработка лазерного технологического оборудования управляемого объемного и поверхностного нагрева материалов электронной техники

Специальность: 05.27.07 - Оборудование производства электронной техники

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1997

Официальные доктор физико-математических наук, профессор

оппоненты: Б.Н. Васичев

доктор физико-математических наук, профессор И.Н. Компанец

доктор технических наук, профессор В.Ф. Шарков

Ведущая организация: Государственное предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений.

Зашита состоится "¿1" октйВря 1997г. в 14 часов на заседании Диссертационного Совета Д 063.68.02 при Московском государственном институте электроники и математики по адресу: 109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер.,3/12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИЭМ. Автореферат разослан " " 1997 г.

Ученый секретарь

Диссертационного Совета Д 063.68.02, к.т.н., доцент В.И.Жуков

7,

Подписано к сечам'22.05.97г. 3ак.123 Объём 2п.л. Тир.100

МГИсМ. Москва, М. Пионерская ул.,12

Общая характеристика работы.

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 напева 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 сеченшо 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

пределах в некоторых спектральных диапазонах. Соответственно, 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 волпы, 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 сравнении 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 вероятности образования плазмы, рассеивающей, поглощшощей 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

с

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 достигнуто 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 обновления 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 электроразрядных 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 изделш электронной техники и вытяжке высококачественных кварцевых световодов.

Научная новизна Основные результаты, приведенные в работе относятся к категорш полученных впервые. Некоторые из этих результатов приводятся ниже.

1. Впервые установлена и экспериментально доказана связь характеристик активно1 среды и плазмохимических явлений в рабочей смеси ОАЭ. Проанализированы основньи элементарные столкновительные процессы и химические реакции, определяют^ энергетические характеристики и параметры надежности СО-лазеров. Выявлены три груяпь процессов и показана роль отдельных компонентов лазерной смеси СО- N2 - Хе - Не I 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 компонентами лазерной 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 смсси 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 быть 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

атомарного кислорода возможно как за счет увеличения массы одного из компонентов реакции (С), так и за счет активации реакции окисления углерода электронами плазмы.

4. Впервые показало, что необходимым условием эффективности лазерной накачки в отпаянных СО-лазерах является подавление плазмохимической генерации молекул СО2. 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.

5. Впервые показано, что в процессе взаимодействия примесей О2, СО2, Нг и Н20 с углеродом, активируемым ионной бомбардировкой, происходит уменьшение концентрации примесных молекулярных газов до величин, не ухудшающих энергетические характеристики СО-лазера.

6. Впервые показано, что предложенный метод регенерации лазерной смсси с участием ионно-гетерогенных процессов на углеродной поверхности позволяет решить проблему воспроизводимости лазерных и электрических характеристик приборов после длительного (более 10 лет) хранения.

7. 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.

8. Впервые разработан и освоен в промышленное™ 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 СО2, 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 СО2 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 3 2СО

эп. разряд ^

н2о + с ———> со + н2

является мощным средством оптимизации активной среды и ее долговременной сохраняемости. Реакции кислородосодержащих соединений на графите - основа технологии

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, полировка) 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 СО и ИЛГН-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).

• И Всесоюзная школа "Применение лазеров в технологии" (г. Нарва, 1982).

• IV Всесоюзная конференция "Опгика лазеров - 84" (г. Ленинград, 1983).

• Всесоюзная конференция по применению лазеров в медицине (г. Красноярск, 1983).

• III 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 ПСНТ "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).

• И 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 на парах 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-Апджелес, 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 ОЕЯ^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 <5?0 страницах машинописного текста, иллюстрированного \2U, рисунками и 9 таблицами.

Содержание работы. Во введении на основании анализа традиционной практики разработки лазерного технологического оборудования для термических технологий производства изделий

электронной техники дана краткая характеристика состояния проблемы. Обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель и задачи работы, сформулированы научная новизна, основные научные положения, выносимые на защиту, практическая ценность и значимость работы для производства изделий электронной техники. Сделан вывод, что решение проблемы разработки и внедрения в промышленность нового поколения лазерного оборудования невозможно без решения задачи создания СО-лазера с ОАЭ, являющегося ключевым элементом технологически^: систем.

Первая глава посвящена решению задачи системного анализа проблемы повышения эффективности лазерного технологического оборудования в классе СО-лазеров с ОАЭ. Проведено исследование процессов взаимодействия лазерного излучения с типовыми стекломатериалами, и в частности, в активной технологической зоне сварки. Показано, что освоенное промышленностью лазерное технологическое оборудование для реализации основных термических операций на стекле с помощью СО^-лазеров существенно не оптимально по уровню энергопотребления и производительности. При этом для решения задачи повышения производительности и качества лазерных термических операций необходимо создание лазерных методов управляемого объемного и поверхностного нагрева материалов, частоты и полосы собственного поглощения которых должны совпадать со спектральным диапазоном лазерного излучения. Обоснована необходимость поиска эффективного решения проблемы в классе лазеров на окиси углерода, используемых в научных целях и требующих для устойчивой во времени работы низких криогенных температур охлаждения и постоянного обновления рабочей газовой смеси. Показано, что основным препятствием для разработки промышленного класса СО-лазеров с ОАЭ (без непрерывной прокачки рабочей смеси в течение длительного времени) с необходимыми для технологических применений высокими энергетическими характеристиками, долговечностью, параметрами надежности и спектром генерации является конверсия излучающих молекул СО в молекулы С02, дезактивирующие возбужденные молекулы СО и разрушающие инверсию на их колебательно-вращательных переходах. Химическая активность и неустойчивость излучающих молекул в плазме газового разряда приводят к возникновению в лазерной смеси интенсивного резонансного обмена колебательной энергией между молекулами СО и С02 и высокой скорости релаксации потенциальной (колебательной) энергии молекул в поступательную (тепловую) энергию. Показано, что процесс обмена колебательной энергией наиболее характерен для ангармонического механизма создания инверсии на молекулах СО и определяет распределение населенностей на колебательных уровнях. Этот процесс лежит в основе механизма образования инверсии

аселепности СО-лазеров различных типов и мало зависит от способа генерации олебательно-возбужденных молекул. При этом изменение ласеленностей колебательных ровней молекулы СО в плазме газового разряда можно описать системой кинетических равнений:

= Ки+1,0 • Н*, ■ N - (КилМ + К0,и+,) ■ КИ + К«.,, о • N0., • N + - {(ЕК^- л;,,) • л^ -КДХй"• N.) Ч^К^• N. (1.)

о и

и и

здесь И,, - населенность и-го уровня; N - полное число молекул в единице

>бъема; Ки - константы скоростей колебательно-поступательных и

галебательно-колебагельных переходов при столкновении двух молекул, которые имеют солебательные энергии, соответствующие квантовым числам о и о-1; концентрация КИ = / («) \

шектронов; \и и0' е / - усредненные по скоростям электронов константы

М

жоростей возбуждения колебательных уровней электронным ударом; ии' ' сечение

указанного процесса; ие - скорость электрона; А0;Х>1 - вероятпость спонтанного язлучения (коэффициент Эйнштейна).

Однако, система уравнений (1) не описывает адекватно поведение реальной среды газоразрядного лазера, так как в нее не включен ряд процессов, например процесс разрушения колебательно-возбужденных молекул па стенках разрядной трубки, ступенчатое возбуждение молекул СО электронами, процесс диссоциации молекул СО при соударениях с электронами и др. Учет этих процессов, с одной стороны, еще более усложнил бы систему уравнений, а с другой стороны, сделал бы отыскание ее решения практически нецелесообразным из-за малой достоверности данных о вероятности ряда указанных процессов.

Несмотря на то, что были предприняты попытки построения более полных кинетических моделей, описывающих функционирование СО-лазеров различного типа, основой их описания является система уравнений (1), по с добавочными членами, учитывающими вклад и потери энергии в исследуемой системе. Применение этих моделей для задач конструкторско-технологического проектирования лазерного оборудования также

требует корректировки и проверки адекватности получаемых теоретических оценок и учета реальных процессов в активной среде газоразрядного СО-лазера. Показано, что в СО-лазере в результате распада молекул СО в плазме и последующей реакции окисления СО формируется относительно большое количество углекислого газа. Наличие этого компонента в лазерной смеси существенно изменяет распределение энергии между его потенциальной и кинетической формами в неблагоприятную для инверсии населенностей сторону. Другими словами, появление СО2 в смеси приводит к уменьшению скорости накачки лазерных уровней и повышению температуры газа. Сравнение экспериментальных данных с результатами теоретического моделирования указывают на большие отклонения в оценках КПД, времени задержек, формы импульсов генерации, различие в сильном сдвиге расчетного спектра излучения в коротковолновую область и др. Отсутствие априорных характеристик плазмохимических гетерогенных явлений на стенках разрядного канала и электродах, диффузии промежуточных продуктов химических реакций и взаимодействия материала разрядного канала и электродов с большим числом химических соединений и возбужденных радикалов приводит к необходимости постановки задачи разработки методов оценки технической реализуемости условий создания инверсной населенности в конструкции отпаянного СО-лазера.

На основании проведенного анализа и исследований сформулированы основные задачи разработки эффективного лазерного технологического оборудования управляемого объемного и поверхностного нагрева материалов лазерным излучением среднего ИК-диапазона.

Во второй главе рассмотрены вопросы экспериментального моделирования и анализа энергетических параметров СО-лазеров с ОАЭ. Приведены результаты исследования влияния начального состава газовой смеси на мощность излучения и КПД лазерных излучателей с ОАЭ в зависимости от парциального давления компонентов смеси, тока разряда, вводимой в разряд электрической мощности, общего давления, приведенного электрического поля в плазме разряда постоянного тока. Полученные в результате моделирования экспериментальные зависимости необходимы для решения задачи оптимизации энергетических параметров в процессе проектирования отпаянных СО-лазеров.

Приведены результаты исследований и оценки влияния примесей молекулярных газов на энергетические характеристики и спектр генерации. Показано, что для отпаянных СО-лазеров, генерирующих при нормальной ("комнатной") температуре охлаждения в целях достижения высоких энергетических характеристик, необходима тщательная тренировка газоразрядных трубок, откачка их на высокий вакуум и осушка компонентов рабочей смеси.

Наличие таких молекулярных газов, как СЬ. Нг, СОг в рабочей смеси СО-лазера обусловлено недостаточной чистотой используемых компонентов смеси и газовыделеписм внутривакуумных узлов лазерных генераторов в результате плазмохимичсских реакций. В связи с этим получены необходимые для оптимизации параметров и разработки технологии промышленных СО-лазеров зависимости влияния рассмотренных примесей на энергетические характеристики (рис.1), и спектр генерации.

Из полученных зависимостей следует, что наличие примесей молекулярных газов выше критических величин приводит к деградации мощности излучения и КПД отпаянного СО-лазера при комнатной температуре. Установлено, 'по добавки испытанных примесных газов приводят к появлению в рабочей смеси молекул СОг. При увеличении парциального давления примеси О2 и СОг происходит эффективная передача колебательной энергии от молекул СО к молекулам СОг, что приводит к уменьшению усиления на переходах молекулы СО и, следовательно, уменьшению оптимального для генерации тока заряда.

Показано, что для уменьшения концентрации примесных газов в рабочей смеси отпаянных СО-лазеров наряду с описанными выше мерами (осушка компонентов, тренировка трубки в электрическом разряде и т.д.) необходимо совершенствование технологии предварительной обработки газоразрядных трубок (например, термическое обезгаживание), избирательное их удаление из рабочего объема отпаянного прибора, а также использование физико-химических процессов, позволяющих постоянно или периодически смещать равновесие химических процессов в сторону уменьшения концентрации О2, Н2, и СОг до безопасной величины.

Для решения указанной задачи в главе приведены результаты проверки адекватности теоретических оценок поступательной температуры газа в плазме электрического разряда СО-лазера, работающего при комнатной температуре, т.к. температура газа является важнейшим параметром, определяющим коэффициенты усиления, населенности уровней и другие характеристики лазерной среды. При этом теоретическая оценка неэффективна из-за неполноты установленной физической картины диссипации электрической энергии разряда и требует экспериментального исследования. В результате получены оценки температурных зависимостей, определяющих скорость накачки и релаксации лазерных уровней. Установлено, что с увеличением температуры газа растет роль колебательно-поступательной релаксации, определяющей в значительной мере потери энергии, запасенной молекулами СО в процессе накачки. Кроме того, при увеличении температуры газа уменьшается скорость обменных У-У-процессов, посредством которых реализуется усилительная среда. Поэтому температура газа во многом определяет эффективность и мощность излучения и является

одним из основных параметров активной среды СО-лазера. Температура газовой среды существенно зависит от температуры охлаждения стенок газоразрядной трубки. Поскольку газовая температура, определяющая скорость столкновительных реакций между возбужденными молекулами, является суммой температуры окружающей активный объем среды (температура стенки) и прироста температуры газа от электрической мощности разряда, характеристики СО-лазера существенно зависят от температуры стенок газоразрядной трубки. Температура стенок газоразрядной трубки при низких удельных тепловых нагрузках,' типичных для СО-лазеров (0,5 Вт/см), приближается к температуре - охлаждающей жидкости. В этой связи проведено исследование влияния температуры охлаждения на энергетические характеристики отпаянного СО-лазера.

Зависимости КПД лазерного излучателя и погонной мощности генерации от температуры охлаждающей жидкости представлены на рис. 2. Как видно из рисунка, при изменении температуры охлаждения от +40 до +1 ° С КПД возрос с 8,5 до 18 %. При этом погонная мощность генерации увеличилась с 13 до 31 Вт/м. Лучшие условия охлаждения газового разряда привели к сдвигу оптимума эффективности и мощности генерации в сторону больших токов разряда (рис. 3), а также позволили повысить мощность излучения за счет увеличения мощности, вводимой в разряд без перегрева газовой смеси (рис. 4); Максимальная мощность генерации при температуре охлаждения +-1° С достигала 38,5 Вт, при этом КПД составил 15 %. Отметим, что при такой мощности генерации плотность мощности на выходном зеркале с прозрачностью 8 % достигала примерно 900 Вт/см2 , что приводило к существенным деформациям поверхности зеркала.

Оценки, проведенные на основе экстраполяции результатов, приведенных на рис. 2. показывают, что за счет перехода к охлаждению стенок газоразрядных трубок до температуры конденсации компонентов рабочей газовой смеси (как исходных, так и образующихся в процессе работы лазера) возможно увеличить КПД отпаянных СО-лазеров по крайней мерс до 35 %. Более глубокое охлаждение стенок отпаянной трубки может привести к изменению химического равновесия в смеси газов и ограничению срока службы лазера.

В работе показано, что одним из резервов повышения мощности генерации и КПД лазеров с относительно малым усилением (к которым можно отнести отпаянные СО-лазеры при нормальной температуре) является уменьшение суммарных потерь оптического резонатора. Так, при уменьшении суммарных потерь с 0,05...0,08 до 0,02...0,03 мощность генерации и КПД лазерного излучателя возрастают, по крайней мере, в два раза.

Полученные оценки показывают, что возможно дальнейшее увеличение КПД СО-лазера при комнатной температуре примерно до 25 %. Для этого необходимо избавиться от искажений поверхности оптических элементов, возникающих из-за сжатия их атмосферой и нагрева выходного зеркала.

Необходимость работы с плотными выходными зеркалами, обусловленная

относительно небольшим усилением СО-лазера при комнатной температуре, приводит к

сильному возрастанию плотности мощности на зеркале. При мощности генерации около

30...32 Вт и диаметре пучка на выходном зеркале около 8 мм плотность падающей мощности

а

на зеркалах с оптимальными прозрачностями 5... 12 % составляет около 1100...500 Вт/см . При длительной работе искажения поверхности выходных зеркал становятся столь значительными, что приводят к увеличению потерь в резонаторе и существенно уменьшают мощность генерации и КПД лазерного излучателя.

Таким образом, полученные в настоящей работе зависимости энергетических характеристик СО-лазера с ОАЭ при нормальной ("комнатной") температуре охлаждения в основных чертах подтверждают теоретические представления о ангармоническом механизме лазерной накачки колебательных уровней молекулы СО. Высокие электрооптическин КПД (около 20 %) и погонные мощности лазерной генерации (до 30 Вт/м активной среды) позволяют характеризовать СО-лазер как относительно эффективный преобразователь электрической энергии в лазерное излучение среднего ИК-диапазона.

Хотя теоретические модели СО-лазера пока не обеспечивают точности расчета энергетических параметров (расчеты дают в 2-3 раза большие значения), полезно еще раз упомянуть причины такого отклонения. Такими причинами являются интенсивные плазмохимические процессы в лазерной смеси и недостаточно высокое качество оптического резонатора.

В практическом плане при создании конструкций СО-лазеров с ОАЭ особое внимание следует уделять методам снижения дезактивирующей роли молекул СОг, накапливающихся в ОАЭ в результате сложной цепи плазмохимпческих реакций, а также уменьшению потерь в резонаторе, возникающих при отклонении формы отражающих поверхностей зеркал резонатора от исходной. Уменьшение потерь резонатора позволяет добавить в излучение мощность новых лазерных переходов и увеличить общую мощность за счет роста каскадных процессов.

В третьей главе представлены результаты оптимизации химического состава активной среды СО-лазера с ОАЭ и разработки эффективного метода обеспечения устойчивости усилительной среды в течение срока службы СО-лазера с ОАЭ па основе

применения гетерогенных электрохимических реакций на поверхности твердофазного углерода.

В основу разработки метода обеспечения устойчивости усилительной среды положен комплексный анализ основных взаимосвязей физических и физико-химических процессов в рабочем объеме отпаянного активного элемента СО-лазера.

Показано, что основные элементарные столкновительные процессы и химические реакции, определяющие энергетические и химические процессы целесообразно разделить на три группы (рис. 5).

В первую группу (I) входят элементарные процессы, обеспечивающие накачку колебательных уровней молекулы СО. Роль отдельных компонентов лазерной смеси СО-№-Хе-Не в создании колебательно-возбужденных молекул СО в активной среде электроразрядных лазеров на окиси углерода подробно обсуждалось выше. Эта группа процессов определяет прежде всего такие технические характеристики лазеров на окиси углерода, как мощность генерации и КПД преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения.

Во вторую группу (II) входят процессы дезактивации колебательно-возбужденных молекул СО. Эти процессы можно разбить на две подгруппы. В первую подгруппу входят процессы дезактивации и перераспределения энергии по уровням молекулы СО, определяющие механизм образования инверсии (спонтанное излучение, У-У-релаксация, У-Т-релаксация колебательных уровней) за счет столкновения с молекулами основных компонентов смеси (СО, N2, Не, Хе) и электронами плазмы. Определенный вклад в релаксацию колебательных уровней могут вносить и неупругие удары с электронами. Процессы этой группы характерны для рабочей смеси без заметного содержания (менее 1 Па) примесей.

Во вторую подгруппу включены потери возбуждения колебательных уровней молекул при соударениях с молекулами примесей, возникающими в результате электрохимических реакций или газовыделения. К этим процессам следует прежде всего отнести процессы дезактивации колебательно-возбужденных молекул СО при столкновении с такими атомами и молекулами, как О, О2, II, Нг, СОг, пары НгО

км

СО (у) + М ^ СО (У - 1) + М - Е (у),

где через М обозначен любой из партнеров по столкновению, а В результате

столкновения полная энергия перехода Е(у) молекулы СО переходит в поступательную энергию молекул СО (V - 1) и М. Сравнение экспериментально измеренных кони ант скоростей колебательно-поступательной У-Т-релаксации при столкновении СО с такими атомами и молекулами, как Не, N6, Аг, N2, О, Н2 и С02 показывает, что скорости У-Т-релаксации возбужденных уровней молекулы СО увеличиваются с ростом температуры (обычно пропорционально Уг ) и для молекул воды и С02 на несколько порядков превышают скорости релаксации атомами и молекулами других газов. Высокие скорости релаксации колебательных уровней СО в тепловую энергию молекулами воды и двуокиси углерода объяснены на основе рассмотрения процесса У-Т-релаксации при столкновении возбужденных молекул СО с молекулами С02 в основном состоянии. После передачи колебательной энергии от СО к С02 образуется возбужденная молекула С02 в состоянии 001, имеющем относительно высокую вероятность У-Т-релаксации.

Показано, что появление таких примесных газов как 02, С02, Н20, П2 и др. в рабочем объеме активного элемента может быть результатом различных процессов. Наиболее вероятным каналом возникновения примесей в объеме является десорбция газа со стенок ОАЭ, металлических внутрявакуумных деталей и узлов, электродов и т.д., недостаточно обезгажепных в процессе изготовления и тренировки активного элемента; внесение примесных газов при наполнении активного элемента смесью. Кроме того, газы, девозбуждшощие молекулы СО , могут появляться в результате ряда гомогенных и гетерогенных процессов в отпаянном рабочем объеме в процессе работы или длительного хранения ОАЭ. Как уже обсуждалось, появление молекул С02 в рабочем объеме возможно при гомогенной реакции

со + о -> со2,

в которой атомарный кислород является продуктом диссоциации молекул СО и 02 под действием электрического разряда

СО + е -> С + 0,

02+е ->0 + 0,

или СО(а3П) + СО(Х'Г, v

= 0)-»С02 + С + Д Е (ЛЕ ~ 0,4 эВ).

Образование молекул СОг возможно так же в реакции

СО +0H-J-C02 + H,

константа скорости которой велика. В свою очередь, образование ОН-радикалов является следствием диссоциации кислорода, водорода и паров воды в электрическом разряде. Генерация молекул С02 возможна и в гетерогенных реакциях

СО + О + Мст -> С02 + М<

где роль третьего тела может играть не только поверхность стенки активного элемента, но и поверхность электродов, и прежде всего катода. Такой реакции может способствовать, например, высокая каталитическая активность материала катода.

Образование молекул СО2 за счет гетерогенных процессов на стенке активного элемента действительно наблюдалось в процессе длительного хранения ОАЭ на окиси углерода. Как показано в гл. 3, образующихся при этом молекул СОг достаточно для лазерной генерации на колебательно-вращагельпых переходах этой молекулы в спектральном диапазоне Юмкм.

Показано, что внутривакуумные поверхности АЭ могут являться не только источником примесных газов, сорбированных поверхностью, но и диффундирующих из объема конструкционных деталей. В последнем случае процесс накопления примесных газов растянут во времени и в принципе определяет время храпения отпаянных приборов, а точнее, период между циклами регенерации.

Таким образом, вторая группа физико-химических процессов определяет как энергетические характеристики отпаянных лазеров на окиси углерода (совместно с процессами первой группы), так и сохраняемость приборов в процессе длительного хранения.

В третью группу (III) входят процессы, связанные с диссоциацией молекул СО под действием электрического разряда и последующими физико-химическими превращениями продуктов диссоциации при взаимодействии с компонентами лазерной смеси, стенками и электродами активного элемента в химические соединения с низкой упругостью паров.

Показано, что наиболее важным из указанных процессов является процесс взаимодействия образующегося при диссоциации кислорода с металлическими деталями активного элемента, и прежде всего с катодом.

В результате диссоциации молекул СО при столкновении с электронами и реакции рекомбинации продуктов распада в объеме активного элемента устанавливается равновесная концентрация СО, О и С. Химически активный кислород, вступая в реакцию с металлическими деталями активного элемента, образует окислы, имеющие прочную химическую связь и низкое давление паров. Эти свойства окислов исключают их возвращение в плазму газового разряда и обратную реакцию диссоциации окислов. Описанный процесс прочно связывает кислород на металлических деталях и стенках активного элемента. Уход кислорода из объема активного элемента уменьшает скорость рекомбинации кислорода с углеродом, которая пропорциональна произведению концентрации этих компонентов. В соответствии с законом действия масс конечным результатом этого процесса является смещение обратимой реакции

зп. разряд

СО <- с + о

вправо и уменьшение концентрации окиси углерода в объеме. Постепенное отклонение концентрации излучающих молекул СО от оптимальной величины приводит к снижению мощности излучения лазера. Подобный процесс убыли рабочего вещества характерен и для СОг-лазеров. Показано, что основным механизмом, ограничивающим долговечность созданных конструкций отпаянных лазеров на окиси углерода с активными элементами, выполненными из стекла, является прежде всего уход кислорода из объема ОАЭ. Таким образом, основные процессы, ограничивающие долговечность отпаянных СО- и СО2-лазеров, весьма сходны. Указанные реакции могут вносить определенный вклад в ограничение верхних пределов мощности и КПД СО-лазера с отпаянным АЭ и принципиально неустранимы при электроразрядных способах накачки.

Таким образом, процессы, выделенные в третью группу, определяют прежде всего такие важные эксплуатационные параметры отпаянных лазеров на окиси углерода, как мощность и долговечность.

Анализ основных физико-химических процессов в рабочем объеме отпаянного активного элемента показал, что по многообразию элементарных процессов и разветвленности цепи плазмохимических реакций, разнообразию механизмов их

взаимосвязи, активная среда отпаянного лазера на окиси углерода, по-видимому, превосходит известные в настоящее время лазерные среды, возбуждаемые газовым разрядом. Увеличение числа внутренних степеней свободы часрщ по сравнению с разрядами в атомарных газах, многообразие неупругих взаимодействий, приводящих к перераспределению энергии между частицами и плазмохимичсские превращения, следствием которых является существенное отличие реального химического состава плазмы газового разряда от исходного наполнения в отсутствие электрического разряда, резко усложняют картину физических процессов и явлений в слабоионизированной химически активной молекулярной плазме газового разряда.

Показано, что управление этим физическим и физико-химическим комплексом механизмов и процессов в отпаянных лазерах на окиси углерода с целью их оптимизации и обеспечения высоких энергетических характеристик, долговечности, сохраняемости и других эксплуатационных параметров представляет значительные трудности. Тем не менее такие возможности существуют.

Показано, что радикальным средством, позволяющим целенаправленно изменять химический состав активной среды отпаянного лазера на окиси углерода, является использование управляемых химических реакций на поверхности углерода (рис. 5), Использование совокупности химических реакций

эп. разряд С + С02 -» 2СО;

эп. разряд 2С + Ог -* 2СО;

эп. разряд

с + н2о-> со + н2,

является мощным средством оптимизации состава активной среды и ее долговременной сохраняемости. Высокая химическая активность углерода позволяет надежно связывать на его поверхности и одну из основных примесей, ведущих к деградации лазерной смеси, -водород. Высокое химическое сродство углерода к кислороду, приводящее в определенных условиях к реакциям горения и взрыва, предоставляет эффективную возможность разрушения сложной цепи последовательных химических реакций в лазерной среде уже на первой стадии взаимодействия кислорода с излучающими молекулами лазерной смеси,

обеспечивая связывание свободного кислорода и последующую его конверсию в излучающую молекулу СО.

Показано, что периодическое восстановление лазерных свойств активной среды за счет совокупности химических реакций на графитовой поверхности позволяет принципиально решить проблему уменьшения скорости деградации лазерного вещества (молекул СО) в объеме ОАЭ при сохранении максимальной эффективности лазерного генератора.

Проведенные исследования позволяют рассматривать ионную активацию реакций конверсии примесей на углероде, приводящих к восстановлению активной среды, как мощное средство смещения химического равновесия лазерной смеси и оптимизации ее состава, а отпаянный активный элемент лазера в момент такой активации - как замкнутый химический реактор, допускающий внешнее управление направлением и интенсивностью химических реакций.

Анализ рассмотренных выше основных физико-химических процессов в рабочем объеме ОАЭ и описанные в этой главе технические средства управления указанными процессами позволили предложить и разработать методы инженерного расчета и создания на их основе промышленных конструкций отпаянных СО-лазеров с высокими энергетическими характеристиками, долговечностью и'сохраняемостью.

В четвертой главе изложены результаты исследования и разработки методов формирования спектральных характеристик излучения СО-лазеров с ОАЭ. Эти исследования необходимы как для оценки потенциальных возможностей и областей применения СО-лазеров, в частности, для оптимизации процессов нагрева, так и для лучшего понимания механизма накачки многоуровневой лазерной среды.

Проанализированы особенности формирования спектров излучения и селекции переходов в СО-лазер-ах с ОАЭ в сравнении с СОг-лазерами. Показало, что спектр излучения СО-лазеров с ОАЭ, работающего при "комнатной" температуре охлаждения без селекции переходов, состоит обычно из 25-35 длин волн, генерирующих одновременно и перекрывающих спектральный диапазон от 5,1 до 6,2 мкм. Реализующиеся лазерные частоты соответствуют переходам между колебательными уровнями с у=19 до у=б и вращательными квантовыми числами 1=13...22. Спектр генерации занимает частотный интервал около 300 см"' с мощностью излучения, достигающей на отдельных колебательно-вращательных компонентах 1,5 Вт. Характерная генерация с большими значениями вращательных квантовых чисел связана с тем обстоятельством, что при комнатной температуре газа

уменьшается отношение населённостей колебательных уровней и максимум коэффициента усиления смещается по колебательной полосе в сторону более высоких значений Д.

Изучение относительной интенсивности на различных лазерных частотах в зависимости от параметров газового разряда и состава смеси показало, что конкуренция между лазерными частотами незначительна, во многом благодаря чему реализуется уникальный механизм стабилизации интегральной но спектру мощности СО-лазера с многореэонансной активной средой. Поэтому при использовании СО-лазера дая теплового нагрева веществ и материалов (сварка, резка, термораскалывание) целесообразно применять лазер без селекции переходов. Относительно высокий уровень мощности и стабильность излучения такого лазера обеспечивают высокую производительность и качество технологических операций.

Показано, что спектр излучения СО-лазеров можно изменять за счёт применения изотопов СО. Показано, что при использовании молекул 13С160 наряду со смещением спектра в длинноволновую область происходит смещение огибающей мощности излучения. Обнаружены возможность увеличения числа лазерных частот и особенности механизма инверсии населённости в смеси изотопов молекулы СО.

Исследован спектр генерации при использовании частотно-селективного резонатора (дифракционная решётка). Показана возможность генерации СО-лазера с селективным резонатором на большом числе (около 100) колебательно-вращательных переходов. Установлена возможность управления спектром и монохроматизацией лазерного излучения за счёт вариации температуры охлаждения, состава смсси и изменения мощности возбуждающего разряда.

Селекция колебательно-вращательных переходов всегда сопровождается сильным (в 510 раз и более) уменьшением КПД лазера, поэтому селекция переходов при термических ьгл.ленениях СО-лазера целесообразна только при точном селективном воздействии на вещества или при вариации длины волны в пределах полосы поглощения вещества и условии возможности реализации необходимого уровня мощности излучения.

Рассмотрена задача перестройки спектра генерации с помощью внутрирезояаторной пространственной фильтрации (резонатор Якоби) и проанализированы существующие методы управления спектральными параметрами излучения СО-лазера с требуемыми энергетическими, пространственными и временными характеристиками. Сделан вывод, что рассмотренные методы представляют несомненный интерес при исследованиях спектральных зависимостей многих веществ и материалов, имеющих максимумы или границы поглощения характеристических и фундаментальных частот

колебаний, и позволяют обеспечить большую совокупность исследовательских работ, направленных на решение важных фундаментальных и технических проблем.

В пятой главе приведены результаты разработки конкретных лазерных технологических процессов и оборудования для производства изделий электронной техники и высококачественных кварцевых световодов па основе концепции управляемого объемного и поверхностного нагрева материалов лазерным излучением.

Показано, что физической и технической основой применения СО-лазеров с ОАЭ являются:

• высокая мощность когерентного излучения в области 5-ьб мкм., где отсутствуют эффективные и простые источники излучения других типов;

• широкий спектральный диапазон излучения в (около 300см"1), в котором расположены максимумы или границы поглощения характеристических и фундаментальных частот колебаний многих веществ и материалов, широко используемых при производстве ИЭТ (стекла, окислы, кварц и т.д.);

• возможность реализации большого числа дискретных близко расположенных частот генерации при перестройке спектра диспергирующими элементами и, соответственно, управления спектральными характеристиками в пределах полос поглощения некоторых материалов;

• малая нестабильность мощности излучения лазера, обусловленная многорезонансной природой активной среды, и, соответственно, высокая стабильность температуры на поверхности обрабатываемых материалов.

Немаловажны также низкая стоимость и безопасность эксплуатации СО-лазера на основе отпаянных активных элементов, являющегося ключевым элементом лазерного технологического оборудования.

Исследованы применения СО-лазера в технологии прецизионной термической обработки стекол применительно к производству изделий электронной техники. Рассмотрены особенности локального радиационного нагрева электровакуумных стекол и плавленого кварца, использующихся в качестве оболочек и конструкционных элементов электровакуумных и электронно-лучевых приборов, концентрированным излучением СО- и СОг-лазеров.

Показано, что характер лазерного нагрева зависит не только от мощности воздействующего излучения, но и от свойств обрабатываемого материала, и прежде всего от значения коэффициента поглощения стекол в спектральном диапазоне излучения лазера.

Проведен анализ ограничений поверхностного нагрева па возможности осуществления термических операций на стекле при использовании СО-лазера. Сделан вывод, что поверхностный нагрев в сочетании с изотропностью процесса теплопроводности и малой величиной коэффициента теплопроводности стекол не позволяет в полной мере реализовать принципиальные возможности прецизионной термообработки .

Показано, что при поверхностном вводе тепла для достижения некоторого приращения температуры, в объеме вещества ДТ, характерной для определенного технологического эффекта (плавления, сварки, испарения), необходим нагрев полушарового объема с радиусом р (рис. 6), причем:

-2

4 М

■з

где Д у - функция, не зависящая от радиус-вектора;

р - радиус-вектор некоторого элементарного объема (для сферической системы координат с центром в точке нагрева); а - температуропроводность вещества; 1 -время.

Очевидно, что нагрев такого значительного объема не является в ряде технологических операций необходимым, например при жестких допусках и высокой чистоте обработки поверхностей соединения, характерных для вакуумного и оптического приборостроения, где контактная зона может включать очень небольшой объем веществ.

Дополнительные ограничения поверхностного нагрева вытекают из необходимости ограничения скорости потока, испаряемого с нагретой поверхности стекла нежелательно в большей части используемых в настоящее время лазерных технологических операций при производстве ИЭТ. Испарение вещества уменьшает эффективность лазерного нагрева, деформирует линию технологического шва, загрязняет поверхности обрабатываемых деталей. Поток легкоионизируемых и нагретых атомов с поверхности способствует образованию плазмы и оптических неоднородностей, являющихся в свою очередь, дополнительными источниками ухудшения локальности нагрева, а также нестабильности мощности нагрева и соответственно технологического процесса.

Существенно, что при заданных теплофизических параметрах вещества и ограничении температуры поверхности увеличение глубины прогрева может быть достигнуто только за счет уменьшения плотности мощности и увеличении времени прогрева.

Показано, что такое положение приводит к снижению производительности, ухудшению локальности и в конечном счете к уменьшению эффективности лазерных технологических процессов при переходе к обработке объектов из стекла с большой толщиной. Такая ситуация справедлива для большинства используемых лазерных термических операций (сварка, термораскалывание, направленная деформация путем размягчения стекла).

Подчеркивается, что в некоторых случаях для уменьшения градиента температуры в нагреваемом объеме целесообразно несколько уменьшить плотность мощности и увеличить время прогрева (например, при сварке стекла). Однако уменьшение градиента температуры может быть достигнуто только за счет уменьшения производительности и ухудшения локальности процесса.

Показано, что существенный прогресс в лазерной технологии достигается при использовании лазеров, позволяющих производить объемный прогрев рабочей зоны объектов (рис. 6).Условие объемного нагрева технологического объекта лазерным излучением с длиной волпы X имеет вид:

КХ- р~ 1,

где Кх - коэффициент поглощения излучения с длиной волны Я,

р - характерный размер нагреваемого объема, измеряемого вдоль направления распространения лазерного луча.

Показано, что объемный нагрев стекла лазерным излучением позволяет уменьшить время передачи энергии в объем, уменьшить нагреваемый объем, увеличить производительность и эффективность лазерной термообработки.

Разработаны ряд технологических процессов и оборудование нового поколения на основе объемного радиационного нагрева стекол, позволившего существенно изменить динамику нагрева и улучшить качество ряда изделий электронной техники.

Сварка узлов ЛБВ. Решена проблема прецизионной сварки узлов миниатюрных серийных ЛБВ (соединение баллона с игольчатой частью оболочки изделия), где необходима высокая прочность сварного шва, а искажения формы и геометрических размеров свариваемых изделий в его окрестности недопустимо (рис.7,8).

Подчеркивается, что сварка глубоко проникающим излучением СО-лазера производится за один проход в отличие от многопроходной сварки лучом С02. Эффективная и качественная сварка баллона с иглой достигалась при мощности излучения лазера 2,5-3 Вт

при скорости сварки 0,5-1 мм/с (для ССЬ-лазсра необходимая мощность излучения достигала 30-35 Вт). Конфигурация, геометрические размеры и допуски свариваемых деталей обеспечили их надежное соединения без использования дополнительной присадочной массы н какой-либо дополнительной подготовки деталей. Проверка сварных узлов на соответствие требования по вакуумной плотности, геометрическим размерам (соосность, искривление и деформация профиля иглы), внешнему виду (наличие скрытых пузырьков воздуха), по остаточным напряжениям в сварном шве дают положительные результаты. Узлы, сваренные излучением СО-лазера, успешно выдерживают испытания на устойчивость к смепе температур и испытание на влагоустойчивость в течение 30 суток. Сварные швы остаются вакуумношютными и не разрушаются при растягивании иглы, приваренной к баллону вдоль оси, с силой до 2 кГ (2 кГ/мм2) в вертикальном положении изделий (при сварке СОг-лазеро.м -0,1 кГ).

Сварка узлов ЛБВ излучением СО-лазера показала высокую эффективность процесса и повышение качества сварных швов; сократилось число сложных и трудоемких операций (калибровка стекла, прецизионная лазерная резка, контроль стеклянных колец); улучшились высокочастотные характеристики миниатюрных СВЧ-приборов (частотные потери, дисперсия, широкогюлосность).

Закрепление замедляющих систем ЛБВ. Решена проблема прецизионного закрепления замедляющих систем серийных стеклянных ЛБВ путем последовательного нагрева участков стекла баллона сфокусированным лазерным излучением до температуры размягчения стекла и последующим его осаждением на спираль под действием атмосферного давления (объем внутри ЛБВ предварительно откачан до давления не выше 10"4 Па и герметизирован) (рис. 9,10).

Показано, что наилучшим техническим решением, позволяющим исключить практически все виды нестабильности энергии, рассеиваемой в обрабатываемом изделии (характерном при использовании излучения СОг-лазера), является использование излучение СО-лазера. Толщина стенки стеклянной оболочки, выполненной из стекла С48-3 сравнима с глубиной проникновения излучения СО-лазера. Показано, что объемное поглощения излучения СО-лазера в стекле (в отличие от С02-лазера) исключило образование и развитие плазменного факела в обрабатываемой зоне и устранило причины нестабильности поглощенной стеклом тепловой энергии. Процесс закрепления, требующий образования "пирамидального" углубления между витками спирали (рис. 10) не превышающего половины диаметра проволоки спирали (300-700 мкм) осуществляется при мощности излучения, падающей на оболочку ЛБВ в диапазоне в 1,8-2,9 Вт, и скорости перемещения пучка

относительно поверхности до 15 мм/мин. Средняя глубина микродеформаций стеклянной оболочки составляла около ЮОмкм. Техиологая закрепления обеспечивает максимальную соосность игольчатой части и колбы оболочки (приблизительно 0,05 мм), а также минимальную стрелу прогиба игольчатой части (менее 0,1 мм на длине 300 мм).

Показано, что снижение температуры поверхности нагреваемого стекла в сочетании с высокой стабильностномощности СО-лазера позволило существенно снизить вероятность образования плазмы, уменьшить влияние случайных изменений свойств поверхности обрабатываемого стекла на мощность поглощенную в объеме, и обеспечило стабильность процесса нагрева. При этом затраты энергии уменьшились в 5-7 раз в сравнении с использованием СОг-лазера.

Применение СО-лазера позволило в 20-30 раз уменьшить процент брака, связанный с "прожигом" оболочки приборов, характерным для закрепления спиралей СОз-лазером.

Разработанное лазерное оборудование на основе СО-лазера (рис. 9) позволило автоматизировать процесс закрепления спиралей с заданным внедрением стекла в спираль, повысить виброустойчивость приборов (особенно при взлете летательных аппаратов), устранить отказы по основным параметрам изделий.

Сварка узлов стеклооболочек электронно-лучевых приборов (ЭЛП) и герметизация готовых изделий. Решена проблем -повышения процента выхода годной продукции при увеличении ее надежности и экономичности при сварке элементов стеклооболочек ЭЛП и готовых изделий с толщиной стенок 1-3 мм и более. Показано, что с увеличением толщины стекла необходимая мощность излучения лазера увеличивается пропорционально квадрату толщины стенки при шовной сварке и кубу толщины - при точечной сварке. Поэтому при сварке толстостенных изделий требуются СО-лазеры с мощностью излучения 30 Вт и более.

Показано, что для эффективной и качественной сварки толстостенных изделий необходимо осуществлять более плотный контакт кромок свариваемых элементов, что в ряде случаев требует их специальной подготовке (качественной резки, шлифовки или полировки стеклянных изделий), разработки оснастки и оборудования, а часто и специальных технологических приемов. Локальность воздействия лазерного излучения приводит к большим градиентам температуры и необходимости применения специальных мер для предотвращения разрушения стеклянных изделий в процессе сварки и после нее. Поэтому сварка лазером осуществляется с предварительным нагревом зоны сварки до температуры несколько ниже температуры стеклования (400-500°С) и последующим отжигом изделия. Некоторые особенности подготовки торцов цилиндров, способы крепления и центровки

свариваемых изделий и другие условия выполнения лазерной сварки элементов стеклооболочек приведены в таблице 1.

Испытания показали, что сваренные излучением СО-лазера стеклооболочки ЭЛП и герметизированные изделия (рис. 11) удовлетворяют всем параметрам, регламентируемым техническим условиям. При этом выход годных изделий увеличен в 2-2,5 раза.

Сварка кварца. Разработана технология и оборудование для сварки кварцевых световодов и кварцевых нитей для крепления чувствительных элементов (гироскопов) для подводных аппаратов.

Показано, что оптимальная мощность лазерного излучения для получения надежного сварного соединения составляет 1-2 Вт, а время сварки не более 1 с. Энергия, затрачиваемая на получение одного соединения, составляет около 1-2 Дж, в то время как сварка электродугой требует 15-20 Дж энергии. Преимущества использования СО-лазеров по сравнению с электрической дугой и пламенем газовой горелки наиболее ярко проявляются при сварки одномодовых световодов, когда искажения формы сердцевины световода особенно нежелательно, а также при сварки ответвителей, когда требуется регулируемое изменение формы сердцевины. Реализовать равномерное выделение энергии излучения в объеме световода в течение короткого времени можно только при глубоком проникновении излучения в материал и при высокой плотности мощности.

Многофункциональный управляемый нагрев заготовки для термообработки и вытяжки волоконных световодов на основе кварцевого стекла. Разработаны технология и оборудование для управляемого объемного и поверхностного нагрева заготовок, предназначенных для вытяжки высококачественных (низкие оптические потери, высокая прочность на разрыв) световодов, лазерным излучением (рис. 12-14).

Предложено производить обработку поверхности заготовки (испарение поверхностного слоя, полировка) и вытяжку одновременно, посредством использования многофункционального лазерного нагрева. Суть такого высокотемпературного нагрева заключается в пространственном продольном разделении нескольких лазерных пучков, падающих на заготовку, и выбора соотношения мощностей в пучках (рис. 12). Благодаря такому нагреву создается необходимое распределение плотности мощности лазерного излучения на заготовке. Каждая зона с определенной плотностью мощности лазерного пучка обеспечивает свой температурный режим обработки заготовки. В результате в пределах зоны разделения пучков на "луковице" одновременно с ее нагревом происходит и интенсивное испарение поверхностного слоя заготовки, в котором сосредоточены основные дефекты (инородные включения, микротрещины, царапины, ионы гидроксила и др.), с последующей

полировкой поверхности. Существующие методы обработки (шлифовка, химическое травление) не совместимы как с процессом пластической деформации перетягиваемой заготовки, так и между собой. Показано, что преимуществами предложенного метода изготовления световодов является стерильность лазерного источника нагрева, сокращения длительности процесса их изготовления, возможность гибкого управления всеми процессами изготовления, обработки и перетяжки заготовки в световод и др., что обеспечивает возможность изготовления высококачественных кварцевых световодов, а также производить трансформацию формы и структуры сечения нагреваемой заготовки с целью создания световодов с анизотропными свойствами.

Показано, что разработанная технология обеспечила повышение прочности на разрыв световодов после лазерной обработки заготовки в 2-3 раза, возможность регулировки концентрации гидроксила ОН в поверхностных слоях заготовки (рис. 13), отказ от химического травления фтористыми соединениями (плавиковая кислота) и огневой обработки пламенем газовой горелки, бесконтактность воздействия и исключение возможности загрязнения заготовки в процессе термообработки и др. Созданное лазерное оборудование (рис. 14) обеспечивает универсальность режимов обработки и широкий диапазон регулировки технологическими режимами (скорость и глубина обработки заготовки), получение высокопрочных (6-9 ГПа) световодов из стандартных заготовок, полную автоматизацию процесса я управляемость всеми параметрами с помощью персональной ЭВМ, экологическую безопасность и защиту персонала.

Управление температурой лазерного нагрева для регулировки вариации диаметра световодов. Показано, что лазерный нагреватель наиболее удобен с точки зрения управления нагревом, однако ему свойственны высокочастотные возмущающие воздействия (дрейф мощности лазеров, флуктуации воздушных потоков в сравнительно небольшой зоне нагрева и др.). Для компенсации этих высокочастотных возмущений предложено использовать дополнительный маломощный (1-3 Вт) СО-лазер, излучение которого сфокусировано вблизи точки формирования световода из заготовки ("луковицы"). На основе численного моделирования процесса вытяжки исследован динамический отклик процесса компенсации этих возмущений и показана возможность управления процессом регулировки диаметра световода за счет более равномерного объемного нагрева световода излучением СО-лазера по глубине. Показано, что при малой нестабильности мощности СО-лазера и большой инерционности нагревателя возможно создание технологических зогг с высокой управляемой и стабилизируемой в течение длительного времени температурой. Последнее позволяет

успешно использовать СО-лазеры в системах управления диаметром световодов (с вариацией диаметра менее 1,5%).

В заключении необходимо отметить, что концепция управляемого объемного и поверхностного нагрева материалов для производства ИЭТ и световодов успешно реализуется при термообработке ряда окислов, керамик, легированных полупроводников и др., а также в биоструктурах, где ряд веществ, таких как вода, оксигемоглобин, меланин, эндопорфирины, также имеют ярко выраженные спектральные зависимости коэффициентов поглощения от длины волны.

В приложении приведены основные технические и эксплуатационные характеристики созданных СО-лазеров с ОАЭ.

Основные результаты диссертационной работы.

1. Проведено комплексное исследование газоразрядных лазеров па окиси углерода с ОАЭ, предназначенных для применений в качестве ключевого элемента лазерного технологического оборудования.

Разработаны научные основы проектирования и производства промышленных конструкций нового класса СО-лазеров с ОАЭ, обладающих высокими энергетическими (мощность излучения до 30 Вт/м активной среды, при КПД преобразования энергии электрического разряда в когерентное излучение до 1520%), а также эксплуатационными параметрами и параметрами надежности, обеспечивающими возможность их использования в новых промышленных применениях.

2. Результаты физико-технических исследований использованы для разработки документации, регламентирующей производство первого в мировой практике класса промышленных СО-лазеров с ОЭА.

Разработаны 11 типов лазерных излучателей с уровнем выходной мощности от 1 до 300 Вт. 6 типов приборов внедрено в серийное производство. Разработанные приборы не имеют зарубежных аналогов.

3. Разработанные приборы используются более чем на 300 предприятиях страны и поставлялись в ряд развитых зарубежных стран (ФРГ, Китай, США, Австршо, Англию и др.).

4. Изучены закономерности и разработаны новые лазерные технологические процессы, основанные на управлении объемным и поверхностным нагревом

диэлектрических материалов, используемых в производстве ИЭТ и вытяжке высококачественных световодов.

Разработано новое поколение лазерного технологического оборудования для сварки и управляемого формования стеклооболочек миниатюрных серийных ЛБВ, а также оборудование для сварки узлов стеклооболочек электронно-лучевых приборов и герметизации готовых изделий. Результаты внедрены па заводах "Рений" и "Платан" (Московская область), заводе "Знамя" (Полтава), а также на заводах Нальчика, Орджоникидзе и Новосибирска.

5. Разработано лазерное технологическое оборудование для обработки заготовок при вытяжке серийных кварцевых световодов, сварки световодов и кварцевых нитей.

Результаты внедрены на заводе "Электропровод" (Москва) и НПО "Дельфин" (Москва).

Таким образом, диссертационная работа представляет собой законченное решение крупной научно-технической 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 ОАЭ.

Наиболее важные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Алейников B.C., Масычев В.И. Лазеры на окиси углерода. М., Сов. Радио, 1990. 312

с.

2. Антохина H.H., Масычев В.И. Лазерный излучатель на окиси углерода для хирургических установок. // Электронная промышленность, 1984, вып. 10, С. 35-37.

3. Алейников B.C., Масычев В.И. Роль ксенона в механизме создания инверсии населенпостей в лазере на окиси углерода. II. Анализ физико-химических процессов в рабочей смеси отпаянного активного элемента. // Квантовая электроника, 1985, Т. 12, № 9, С. 1940-1944.

4. Алейников B.C., Масычев В.И. Влияние примесей молекулярных газов на энергетические характеристики отпаянных лазеров на окиси углерода. // Квантовая электроника, 1982, Т. 9, № 9, С. 1880-1883.

5. Алейников B.C., Карпецкий В.В., Масычев В.И. Оптимизация химического состава активной среды СО-лазера на основе ионно-гетерогепной конверсии примесных газов на углероде. // Квантовая электроника, 19В6, Т.13, № 2, С. 357-362.

6. Алейников B.C., Масычев В.И. Роль ксенона в механизме создания инверсии населенностей в лазере на окиси углерода. I. Исследование физико-химических процессоз и условий работы лазера с отпаянным активным элементом. // Квантовая электроника, 1985, Т.12,№ 9, С. 1932-1939.

7. Масычев В.И. Исследование механизма долговечности СО-лазера с отпаянным активным элементом. // Квантовая электроника, 1987, Т. 14, № 9, С. 1817-1820.

8. Масычев В.И., Сысоев В.К. Конструкция перестраиваемого лазера на окиси углерода. // Квантовая электроника: Сб. Статей. Киев: Наукова думка, 1987, Вып. 32, С. 90-92.

9."Компактный многолучевой лазерный излучатель на СО и СОг". / Алейников B.C., Бондаренко С.П., Карпецкий В.В., Масычев В.И. //Электронная промышленность, 1988, Вып. 3, С. 95.

10. Масычев В.И., Плотниченко В.Г., Сысоев В.К. Спектральные и энергетические характеристики перестраиваемого лазера на окиси углерода для измерения оптических потерь в высокопрозрачных твердотельных материалах. Препринт. М., 1981, 51 с. (Физический институт АН СССР, Сер. оптика и спектроскопия, № 17).

11.Масычев В.И., Плотниченко В.Г., Сысоев В.К. Перестраиваемый лазер на окиси углерода. //Квантовая электроника, 1981, Т.8, № 7, С. 1540-1550.

12. Масычев В.И., Плотниченко В.Г., Сысоев В.К. Спектральные характеристики лазеров на окиси углерода с различным изотопным наполнением. // Квантовая электроника, 1982, Т.9, № 11, С. 2303-2305.

13. Масычев В.И., Сысоев В.К. Спектральные характеристики отпаянных лазеров на изотопах молекулы СО при комнатной температуре. Препринт. М., 1983, С. 10, (Физический институт АН СССР, Сер. оптика и спектроскопия, № 269).

14. Масычев В.И., Сысоев В.К. Отпаянный перестраиваемый лазер на окиси углерода с изотопической вариацией атома углерода. // Тез. докл. IV Всесоюзн. конф. "Оптика лазеров". Л., 1983, С. 77.

15. Masychev V.l., Sysoev V.K. Spectral Characteristics of Scaled CO Lasers With Various Isotope Concentrations and Room Temperature Cooling // Optics and Laser Technology, 1984, № 6, P. 151-155.

16. Масычев В.И., Сысоев В.К. Особенности формирования спектра излучения отпаянного лазера на смеси изотопических молекул окиси углерода при использовании

неселективного и дисперсионного резонаторов. // Тез. докл. V Всесоюзн. конф. "Оптика лазеров". Л., 1986, С. 34.

17. Масычев В.И., Сысоев В.К. Оптимизация дифракционной решетки для пересчраиваемого СО-лазера. Препринт. М., 1985, 8 е., (институт общей физики АН СССР, № 9).

18. Оптимизация дифракциопной решетки для перестраиваемого СО-лазера. / Васильев В.А., Масычев В.И., Плотниченко В.Г., Сысоев В.К. // ОМП, 1985, № 3, С. 60-61.

19. Алейников B.C., Масычев В.И., Сысоев В.К. Исследование стабильности мощности непрерывного лазера на окиси углерода. //Квантовая электроника, 1983, Т.10, № 2, С. 402407.

20. Лазерные технологические установки для обработки стеклянных узлов ЭВП / Карпецкий В.В., Лагузова Н.П., Масычев В.И. и др.// Электронная промышленность, 1981, № 5-6, С. 136-139.

21. Масычев В.И. Отпаяпный СО-СО2 лазер с электрохимической перестройкой спектра излучения. // Письма в ЖТФ, 1987, Т. 13, вып. 22, С. 1403-1407.

22. Масычев В.И., Сысоев В.К. Применение лазера на окиси углерода дтя оптимизации технологии изготовления высокопрозрачных твердотельных материалов. // Тез. докл. VII Всесоюзн. конф. по методам получения и анализа высокочистых веществ. Горький, 1985, Ч. 2, С. 12.

, 23. Масычев В.И., Плотниченко В.Г., Сысоев В.К. Измерение- коэффициентов поглощения твердотельных материалов с помощью СО-лазера с. селективным и неселективным резонаторами. //ЖПС, 1983, Т. XXXVIII, вып.2, С. 343.

24. Объемный нагрев стекол излучением лазеров инфракрасного диапазона. / Алейников B.C., Карпецкий В.В., Масычев В.И., ТарховБ.А. // Электронная техника. Сер. электроника СВЧ, 1981, Вып. 8 (332), С. 47-50.

25. Алейников B.C., Масычев В.И. Объемный нагрев стекол излучением лазера на окиси углерода. // Тез. докл. V Всесоюзн. совещ. По нерсзонанспому взаимодействию оптического излучения и веществом. Л., 1981, С. 171.

26. Масычев В.И., Плотниченко В.Г., Сысоев В.К. Установка для исследования и контроля оптических потерь в высокопрозрачных твердотельных материалах с помощью дискретно перестраиваемых лазеров на СО и СО2. //Тез. докл. IV Всесоюзн. конф. "Оптика лазеров". Л., 1983, С. 77.

27. Лазерный диагностический комплекс "Юпитер". / Гриц С.И., Ишутииа Т.П., Масычев В.И. и др. //Тез. докл. У Всесоюзн. конф. "Оптика лазеров". Л., 1986, С. 35.

28. Алейников B.C., Масычев В.И. Восстановление химического состава рабочей смеа отпаянного лазера на окиси углерода. //Квантовая электроника, 1988, Т. 14, № 9, С. 18211825.......

29. Управление процессом изготовления световодов с помощью лазерного нагревателя / Дианов Е.М., Кашин В.В., Масычев В.И. и др. // Инженерно-физический журнал, 1988, "Г. 54, Ла 2. С. 242-248.

'30." Лазерная сварка узлов стеклооболочек ЭЛП / Демидов И.С., Масычев В.И. и др. // ' ' Электронная промышленность, 1988, Вып. 12, С. 55-56.

' 31 '. Установка для сварки кварцевых световодов излучением СО и СОг-лазеров. / Ионов В.Н.,'Кашин В.В., Масычев В.И. и др. // Оптико-механическая промышленность, 1987, Вып. • 12, С. 90. ! ' '

' ' ' 32. Применение ИК-лазеров для изготовления световодов. /Кашин В.В., Котов C.B., Масйчсв В.И. и др. // Тез. докл. I Респ. семинара "Лазерная технология". В., 1987, С. 41-43. ''33. Масычев В.И., Плотниченко В.Г., Сысоев В.К. Влияние вида спектра поглощения ' 1 материала,''спектра генерации и мощности излучения СО-лазера на измерение величины • 1 йоэфф'йцкепта поглощения твердотельных материалов. Н Препринт ин-та общей физики АН ' - CCCP,-№39.;-Î984Î-C.15.

34. Alejnikov V.S., Masychev V.l. Alternated or simultaneous sealed-off room-temperature CO-C02 laset tuning by chemical reactions. -Proc. SP1E. -1990,- Vol. 1412. -p. 227-234. •:35. Алейников B.C., Масычев В.И., Лысогоров О.С. Конструкция, основные технические и эксплуатационные характеристики лазерных излучателей па окиси углерода с отпаянным .,, активным элементом типа ИЛГН-706. // Электронная техника. -Сер. 11.- Лазерная техника и , , оптоэлектроника. -1991,- Вып. 2(58). -С. 27-34. ' ''

...-36, i Алейников ,:В.С., Бондаренко С.П., Карпецкий В.В., Масычев В.И. Компактный . многолучевой излучатель на СО и С02 повышенной надежности с внутривакуумной ..телескопической! системой // Электронная техника. -Сер. 11.- Лазерная техника и оптоэлектроника. -1991.- Вып. 2(58), -С. 41-42.

37. 'Масычев.;В.И. О факторах, определяющих долговечность и воспроизводимость , рарамедав .отпаянных лазеров на окиси углерода. // Электронная техника. -Сер. 11,-Лазерная техника, и оптоэлектроника. -1988.- Вып. 5. -С. 98-101. ,. 38, Масычев В.И,.Многолучевые отпаянные лазерные системы на СО и С02. // Пятая Межд. Конференция "Лазерные Технологии-95". -Шатура. 1995. -С. 5.

39. Масычев В.И. Термообработка стекол на основе лазерного объемного нагрева стекол. // Тез. докл. II Всесоюзной школы: Применение лазеров в технологии." -Нарва., 1982, С. 10-П.

40. Масычев В.И. СО-лазер - как источник локализованного нагрева для технологии изготовления микроприборов. // Тез. докл. конф. "Газовые и плазменные, лазеры в микроэлектронике". -Суздаль., 1989, С. 10.

41. Алейников B.C., Масычев В.И. Оптимизация технологических процессов термической обработки стекол в производстве электровакуумных изделий за счет их объемного нагрева излучением СО- лазера. // Обзоры по электронной технике. -Сер. 7.- Технология, организация производства и оборудование."-1991.- Вып. 13, С. 51.

42. Abakumov А.О., Masychev V.I. Coagulation and Destruction biological Tissue by CO laser irradiation using fibre optic cable. II Optic and Laser Technology. -1986.- August., p. 190-192.

43. Masychev V.I. Medical and technical features of carbon monoxide laser applications using the hollow plastic fiber.// OE / LASE. Photonics West' 95. -1995,- San Jose, p.15.

44. Alejnikov V.S., Masychev V.I. Coagulation and precise ablation of biotissues by pulsed sealed-off corbon monoxide laser. // Proc. SPIE. -1995,- Vol. 1412. -p. 176.

45. Афонягин B.A., Демидов И.С., Масычев В.И., Меренков А.И. Способ сварки стеклоизделий лазерным лучом. //А.С. № 726809 от 16.09.1989.

46. Масычев В.И., Натаровский С.Н., Панченко Б.Г. и др. Способ изготовления оптического растра. А.С. № 16 06 474 от 29.03.1988.

47. Дианов Е.М.; Ионов В.Н., Масычев В.И. и др. Способ изготовления кварцевых световодов. А.С. № 1314577 от 29.05.1985.

48. Дианов Е.М., Кашин В.В., Масычев В.И. и др. Способ изготовления волокна. А.С. № 1482106 от 15.09.1986.

49. Кашин В.В., Котов С.В., Масычев В.И. и др. Способ изготовления волокна. А.С. № 1396505 от 22.09.1986.

50. Алейников B.C., Астахов И.И., Масычев В.И. и др. Способ изготовления катода электроразрядных СО- и С02-лазеров. А.С. № 4470708 от 8.08.1988.

парциальное ЗвВление 02,Н2 или ССг , мм рт.ет.

от аои 0,0$

•&23 ?

ю

5

\ Чх ■

ч

а го го и Температура, °с

Лфцрапт Ылешс

Рис. 4. ' Зависимость мощпостн генерации (-) я КДП (---) от

Парциального давления 02 (/), Нг (2) или ОД (3) в смеси Хе : СО: N2: Не = '=1,25 : 1:3,25: 12,5 при общем давлении 2,5 кПа

Рис.2, . Зависимость КПД и погонно» мощности лазерного излучателя от температуры охлаждающей жидкости

10 15

Ток разриОа, мА

Рис. 3. . Зависимость мощности Излучения (-) и КПД (---}

излучателя от тока разряда при различных температурах охлаждения, °С: /—I; 2—12; 3 — 27 н <—40

НО то . НО Мшцнвст, Медимая Иразряд, Зг

Рис. <1. . Зависимость мощности излучен от мощности, вкладываемой в разряд, п различных температурах охлаждения, °

/-1; 2-12; 3-27 и < — 40

Рекомбинация

(5

Регенерация

¡Ш + Ш-н-

1__

| КатО ]

Электрический

разряд

: !

Диссоциация

ф $ №

На к очна р!

Дезактивация

С®*1

М'О] ГсО'ОМ'

£ I

--1--I г--1--

Ц|)г'е-Л"]'1г"'!|1 "№'с

м]!

Стенка

Рнег 5. Основные элементарные процессы п химические реакции, определяющие энергетические характеристики и надежность СО-лазера с ОАЭ

}

СОг-давд СО -лолр

Лазерная Т, = Г„„ Лазерный мч Т, ъ тп.

Зона технического длияния

Рнс. 6га. Сварка стекол СО- и СОа лаэерамн:

тнсц — температуре испарсиня; 7*ия — температура плчвлепни

и' и 3.! м-

Длина 8аты, юн 51 5.1 и_

4 т т гот гот нза ¡то та то то

«аетта, с«-'

Рис. 6,5т. Спектральные зависимости длины поглошеиия излучения для ряи боросшшкатных электровакуумных стекол

Ряс. 6 .Мехно логический модуль экспериментальной

установки щи сзаркз зз-цешй СО-лазером:

1 - лазер ИЛГЙ-706;

2 - блок управления;

3 - апшгдель; 4-сгекляя-ний баллов; 5 - игла;

6 - печь предварительного аагрвва я отжига;

7 - микроскоп

Рлс.7 . Сааоной шов изпелая, полученный излучение* СО-,- (а) а СО-лазера (<5) (иммерсионно-оптическая способ контроля качества шва, увеличение 60 х)

ных зондов .

Рис. 3 Спецнллнзнроланная лазерная технологическая установки типа А.353.07 (с) и схема установки для закрепления линии замедления ЛБВ (б):

Г —газовый лазер: 2 — затвор: 3 - поворотные зеркала: 4 — диафрагма; 5 — фокусирующая система' 6 — электрическая печь: 7 —оптическая система наблюдения; 8 — баллон с линией мшедгеккя- 9 — суппорт с приспособление»» для закрепления, центровки и поворота бал»

Рис. -10 . Микрофотография баллона с замедлкюшеи системой ЛБВ гтч иммерсионно-оптическом способе контроля закрепления витков спирали Гуве-ш-чские СО1)

Рис. И Сваренное уз ли С*ЛП

Таблица 1.

ш

.¡ш

Наниено-'

вание

прибора

Тип стекла

•Толщгаа:Глувина:Знач9- ;ВпешпгЯ

'Располо-'Способ 'Способ^куо

язе .цввгров-^поЕго-.кое :ст9нкл,.провара:Ш18 '.прибора "ки и за- гонки 'расою-, мм 'свая, .вааря-"при за- '.крепла- ¡торцов'.яаив * : мы 'пения

¡варке ,вля за- .цаяинд-Есполь-: 'варивав-' ров гзуемс* . :мых зле-: .линзы, • .ментов . : ш

в спае, .нмкм

Произвояагеггьносг: .вид спал: при поцсгреве и •при уве-. отжиге, шт/т

••^Г* '• '¿ стан- : Вне : ЬО" • ка . сганя!

I Гиоткоиы

2 1злн2,

13Ж)

3 ЛЫ6К

4 16Л0Ю1А

5 Индикаторные

Вертикальное

Гори-зон-таль-ное

Гори-

ЕОН-

таль-

аое

Гори-

зов-

таль-

нов

Горв-зон-таль-ное

Само- Шли-дантров— фовка ка за • счет ЭОС

Откачка Шли-яо фер- фовка

вауда>а

180

280

1,2-1,3 1,2-1,3 50-70 Отельные мелкие пузыри

2-3 1,6-1,7 80-100 Пузыри

ОТСУТСТВУЕТ

20-25

260

. Откачка Поли-■ до фор- ровка ваяуума

Само- Неволь- 280 центров- лая разка за Ооргов-счвг ЭОС ка

1-2,5 1-2,1

2,5 1,5-1,7

60-70 Отдельные мелкие пузыри 60-100 Пузыри отсутствуют

Откачка Шли-до фор- фовка вакуума

280

1,5-1,7 60-70 Пузыри отсутствуют

4-5

4-5

5

(подогр« ва с гаг

-3

з

2

2

2

2

2

Рис. 12 Многофункциональный нагрев кварцевой заготовки

1 для вьггажкн высокопрочных световодов: I. - зона испарения, 2. - зона полировки, 3. - зона перетяжки.

ю

1 1 1 1 1

1 1 г 1 5

■1 ■ I И' 1 д г^ 1

Ъ.ъ.'Л Распределение концентрация кнов гкрокси-.а по объему эаготозки. Д - толщина слоя иарцевого стека, уганяемого с поверхности заготовки с асиса&а зоздеЙ1:':вяя лазерного язлу^енич.

Рис. 14 Лазерная технологическая установка для термообработки кварцевых заготовок при вытяжкавысокопрочных световодов.