Конспект лекций по курсу «Физико-технические основы лазерных технологий»


НазваниеКонспект лекций по курсу «Физико-технические основы лазерных технологий»
страница1/10
Дата20.04.2013
Размер0.73 Mb.
ТипКонспект лекций
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10
Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию


Санкт–Петербургский государственный университет

информационных технологий, механики и оптики


logo_чб


В.П.Вейко


Опорный конспект лекций по курсу

«Физико–технические основы лазерных технологий»


ЛАЗЕРНАЯ МИКРООБРАБОТКА


ifmo-r


Санкт–Петербург

2007

Вейко В.П. Опорный конспект лекций по курсу «Физико–технические основы лазерных технологий». Раздел: Лазерная микрообработка. Изд. 2–е, испр. и дополн. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2007. – 110 с.


Для студентов специальности «Лазерная техника и лазерные технологии», бакалавров и магистров направления «Техническая физика».

Курс также может быть полезен инженерам, ученым, маркетологам, менеджерам, которые применяют лазеры в микротехнологиях, для понимания преимуществ и ограничений использования лазеров в этой области, для повышения знаний в области процессов лазерной обработки и для их будущей работы.


Рекомендовано УМО по оптическому образованию в качестве учебного пособия для обучения студентов по специальности 072300 «Лазерная техника и лазерные технологии»


логотип пнп образование_без победителя


В 2007 году СПбГУ ИТМО стал победителем конкурса инновационных образовательных программ вузов России на 2007–2008 годы. Реализация инновационной образовательной программы «Инновационная система подготовки специалистов нового поколения в области информационных и оптических технологий» позволит выйти на качественно новый уровень подготовки выпускников и удовлетворить возрастающий спрос на специалистов в информационной, оптической и других высокотехнологичных отраслях экономики.


 Санкт–Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, 2007

 В.П. Вейко, 2007.


АННОТАЦИЯ


Опорный конспект содержит анализ и синтез проблем качества лазерной микрообработки.


Анализ включает рассмотрение следующих вопросов:

– какой режим, непрерывный или импульсный лучше для лазерной обработки?

– роль временной структуры импульса;

– роль жидкой фазы;

– роль пространственной структуры лазерного пучка;

– роль дополнительных факторов, влияющих на лазерную обработку: струя жидкости, . струя газа и т.д.

Синтез включает решение следующих задач:

– как выбирать оптимальный лазерный источник и как определить его важнейшие параметры: мощность, длительность импульса, форму импульса, частоту следования импульсов и т.д.;

– как выбрать оптимальную оптическую систему лазерной обработки;

как обеспечить необходимое поперечное и продольное распределение энергии в зоне обработки;

– как выбрать лучшие алгоритмы управления лазерной обработкой.

СОДЕРЖАНИЕ


1. ВВЕДЕНИЕ




2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ МИКРООБРАБОТКИ (ЛМ)




3. ЛАЗЕРНЫЕ ИСТОЧНИКИ ДЛЯ ЛМ




4. ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ЛМ




5. КАК УЛУЧШИТЬ КАЧЕСТВО ЛМ?




6. ВАЖНЕЙШИЕ ПРОЦЕССЫ ЛАЗЕРНОЙ МИКРООБРАБОТКИ

РАЗДЕЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

ЛАЗЕРНАЯ РЕЗКА МЕТАЛЛОВ

ЛАЗЕРНО–ИНДУЦИРОВАННОЕ ХИМИЧЕСКОЕ ТРАВЛЕНИЕ

ЛАЗЕРНАЯ МАРКИРОВКА

ЛАЗЕРНое скрайбирование

УПРАВЛЯЕМОЕ ТЕРМОРАСКАЛЫВАНИЕ

СВЕРЛЕНИЕ МИКРООТВЕРСТИЙ

1. ВВЕДЕНИЕ


ОСНОВНАЯ ЦЕЛЬ УЧЕБНОГО ПОСОБИЯ СОСТОИТ В ТОМ,

ЧТОБЫ ОТВЕТИТЬ НА ВОПРОС:


КАК УЛУЧШИТЬ КАЧЕСТВО И ТОЧНОСТЬ ЛМ В ПРОЦЕССАХ

ПРЕЦИЗИОННОЙ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ

ЛАЗЕРНОГО СКРАЙБИРОВАНИЯ И МАРКИРОВКИ

УПРАВЛЯЕМОГО ТЕРМОРАСКАЛЫВАНИЯ

СВЕРЛЕНИЯ МИКРООТВЕРСТИЙ


НА ПРИМЕРАХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ ПРИБОРОВ, МИКРОСИСТЕМНОЙ (MEMS) И ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ, МЕХАНИЧЕСКОГО ИНСТРУМЕНТА И Т.Д.

ОБЩАЯ СХЕМА ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ




Рис. 1. 1 – лазер, 2 – блок питания, 3 – излучение, 4 – оптическая головка, 5 – обрабатываемая деталь, 6 – координатный стол, 7 – система визуального контроля, 8 – система контроля параметров лазера, 9 – система контроля технологического процесса, 10 – микропроцессор.ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ЛАЗЕРНОЙ МИКРООБРАБОТКИ


ИСПАРЕНИЕ

ДЛЯ ЛЮБЫХ МАТЕРИАЛОВ

АБЛЯЦИЯ


НАГРЕВАНИЕ ПРИ ФОРМООБРАЗОВАНИИ В НАГРЕТОМ СОСТОЯНИИ (СМ. ОПОРНЫЙ КОНСПЕКТ ПО КУРСУ В.П.ВЕЙКО «ЛАЗЕРНОЕ ФОРМИРОВАНИЕ МИКРООПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ», ИЗД. СПБГУИТМО, 2008)


ЛАЗЕРНОЕ ХИМИЧЕСКОЕ ТРАВЛЕНИЕ И ДРУГИЕ ПРОЦЕССЫ, ТИПИЧНЫЕ ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ТОНКИХ ПЛЕНОК И ПОВЕРХНОСТИ ЭЛЕКТРОННЫХ МАТЕРИАЛОВ (СМ. В.П.ВЕЙКО, С.М.МЕТЕВ «ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ», ИЗД. БАН, СОФИЯ, 1991)


ПОСЛОЙНОЕ (3–Х МЕРНОЕ) ЛАЗЕРНОЕ НАРАЩИВАНИЕ (СИНТЕЗ) – ИЗ БУМАГИ (LOM), ФОТОПОЛИМЕРОВ (СТЕРЕОЛИТОГРАФИЯ) ИЛИ КЕРАМИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ (SLS) (СМ. ПЕРЕВОД КНИГИ В.СТИН «ЛАЗЕРНАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ»)

ПРОБЛЕМЫ ТОЧНОСТИ И КАЧЕСТВА

ЛАЗЕРНОЙ МИКРООБРАБОТКИ


Экспериментальные результаты

a)



б)



в)



г)




Рис.2. Общий вид произведенных лазером разрезов в стали:

a) – с фронтальной, б) – с обратной стороны , a) плохое качество, б) хорошее качество

в), г) – продольные сечения разрез, в) плохое качество, г) хорошее качество

ПРОБЛЕМЫ ТОЧНОСТИ И КАЧЕСТВА

ЛАЗЕРНОЙ МИКРООБРАБОТКИ


ЧТО ДОЛЖНО БЫТЬ РАССМОТРЕНО?


I. Параметры лазерного луча как инструмента микроформообразования


  • Временные и энергетические характеристики –зависят от параметров лазера



  • Пространственно – геометрические характеристики –зависят главным образом от параметров оптической системы



II. Процессы взаимодействия лазерного излучения с материалами,в частности

нагревание, испарение, появление жидкой фазы, реактивное давление отдачи паров и другие.


III. Дополнительные и сопутствующие факторы, влияющие на результат лазерной обработки: поддув газа и жидкости, пред– и постобработка, и так далее.

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ МИКРООБРАБОТКИ

ОБЩАЯ СХЕМА ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ЛМ

Поглощение

лазерного излучения по закону

на глубине проникновения см (для металлов)

Нагрев

материалов до точки плавления

Плавление

после поглощения скрытой теплоты плавления

Нагрев

до температуры испарения (кипения)

Испарение

после поглощения скрытой теплоты испарения

Движение фронта испарения

внутрь материала со скоростью

Требуемая энергия E (пренебрегая теплопроводностью) равна

(2.1)

где — объем зоны нагрева

ОДНОМЕРНАЯ МОДЕЛЬ ИСПАРЕНИЯ ЛМ (1)


Для плотности мощности ( — площадь светового пятна на поверхности материала, — длительность воздействия) уравнение (1) преобразовывается в :

(2.2)

где обычно Дж/см3, Дж/см3, Дж/см3

Скорость проникновения фронта испарения вглубь материала (в предположении, что поглощенная энергия потрачена только на испарение (пренебрегая , ) равна:

(2.3)

С другой стороны, скорость может быть выражена через температуру поверхности (согласно модели твердого тела) формулой Френкеля:

(2.4)

где — скорость звука в твердых телах, , ( — постоянная Больцмана, — температура испарения, — это , рассчитанная на атом).

ОДНОМЕРНАЯ МОДЕЛЬ ИСПАРЕНИЯ (2)


Вычисленные по формулам (2) и (3) величины , приведены в таблице 1.


Таблица 1



NN

, Вт/см2

, K

, см/с

, см

1

106

4050

14.3

2.5  10–2

2

5  106

4800

70.0

5.2  10–3

3

107

5100

1.42  102

2.5  10–3

4

5  107

6400

6.8  102

5.3  10–4

5

108

7000

1.32  103

2.7  10–4

















— глубина отверстия в одномерной модели испарения

ОДНОМЕРНАЯ МОДЕЛЬ ИСПАРЕНИЯ (3)



– Глубина отверстия увеличивается линейно с длительностью импульса , со скоростью :

(2.5)


– Диаметр отверстия не увеличивается:




– Отсутствует жидкая фаза – только испарение


– Высокая точность


– Высокое качество



Fig. 2.1. Качественные характеристики одномерной модели микроформобразования.



Но одномерная модель не работает после , когда . Почему?

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ (1)





Рис. 2.2. Продольный вид «лазерных» отверстий в стали (глубина ~ 1 мм).

a) b) c) d)




Рис. 2.3. Общий вид «лазерных» отверстий в стали. Длительность импульса:

a) ~ ms, b) ~ s, c) ~ ns, d) ~ fs

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Разместите кнопку на своём сайте:
cat.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©cat.convdocs.org 2012
обратиться к администрации
cat.convdocs.org
Главная страница