Фокусировка и управление лазерным излучением. Режимы работы лазеров.

Излучение на выходе из резонатора технологического лазера представляет собой пучок диаметром от нескольких миллиметров до десятков миллиметров и не обеспечивает высокой степени концентрации энергии и требуемого характера распределения плотности мощности. Для реализации высокопроизводительного процесса лазерной сварки применяют различные оптические системы преобразования параметров лазерного излучения. Фокусирующие линзы и зеркала. С целью повышения плотности мощности лазерного излучения осуществляют его фокусировку. Для фокусировки применяется как прозрачная оптика проходного типа (линзы), так и отражательная металлооптика (зеркала). Фокусирующие прозрачные линзы используются при малых мощностях лазерного излучения (до 1...3 кВт). При повышенных мощностях лазерного излучения все шире начинают использоваться зеркальные фокусирующие системы из металлооптики, обеспечивающие значительно больший срок службы. Зеркальные фокусирующие системы используются в виде одиночного фокусирующего зеркала или какого-либо варианта двухзеркального объектива Кассегрена.

Лазерная излучения с фокусировкой одиночным зеркалом может осуществляться, когда фокусирующее сферическое зеркало установлено под углом к оси падающего излучения. Может использоваться дополнительно плоское зеркало, которое необходимо при обработке крупногабаритных деталей. Если обрабатываемые детали имеют небольшие размеры, то лазерное излучение можно направлять непосредственно на фокусирующее сферическое зеркало (по траектории отраженного от плоского зеркала излучения). Также может использоваться плоское кольцевое зеркало, а фокусирующее сферическое зеркало установливаться соосно с падающии излучением. Эту метод фокусировки целесообразно использовать в тех случаях, когда лазерное излучение имеет кольцевое сечение.

Режимы работы лазеров

Если в процессе работы лазера параметры резонатора остаются неизменными, лазер работает в так называемом "режиме свободных колебаний". Очевидно, что в этом случае при стационарной накачке лазер будет работать в непрерывном режиме, при импульсной накачке - в импульсном. Достоинством непрерывного режима является то, что в этом режиме наиболее полно реализуются такие свойства лазеров, как монохроматичность, когерентность, направленность и низкий уровень шумов излучения.

В импульсном режиме в активную среду может быть введена значительно более высокая мощность накачки и соответственно получены большие мощности генерации. Кроме того, в импульсном режиме за счет переходных процессов может быть получена инверсия и генерация на таких переходах, где в стационарном режиме инверсия достигнута быть не может.

33.Механизм преобразования энергии лазерного излучения в тепловую в металлах. Физические процессы происходящие при воздействии лазерным излучением на металлы.

Процесс взаимодействия лаз изс веществами можно разделить на стадии: поглощение света, передача энергии света тепловым колебании решетки, нагрев материала, плавления, разрушение путем испарения и выбросом расплава, остывание. Поглощение тепла выполняется з-н интенсивности излучения на глубину интенсивности.(формулы). Для многих ме А маленькое. Механизм передачи энергии зависит от родов материалов. В ме может происходить целый ряд элем процессов: электро-фотонное взаимодействия частота 10⁴…10⁹ Гц, электрон-электрон 10¹⁴Гц, электрон-ионные 10¹¹Гц, ион-ионные 10¹³Гц. В начале разогреваются электроны проводимости время разогрева 10^-14с. При этом решетка еще не разогрелась при времени 10^-11с электроны передают энергию ионом температура электронов и ионов решетки вырываются. скорость ме ограничивается только скоростью ввода эн света излучения. Нагрев в начале размер прогретой области опре-ся только толщина скинслоя. Величина скимслоя небольшая. Тепло распространяется засчет тепло проводимости. Испарение области существование различ технологических процессов. Зона термообработки, зона бесплавления, малая глубина плавления, плавление без испарения, зона сварки, большая зона прогрева, испарение, пробивка отверстия, резка, удаление материала, образования плазмы. 10⁴-10⁵ Вт/см²(нагрев материала),10⁵-10⁶ Вт/см² плавление без выброса, 10⁶-10⁷ Вт/см²нагрев с удалением вещества,10⁷-10⁸ Вт/см²лазер плазма, 10¹⁶ развивается плазм процессов для получения высоко термической плазмы

34.Оборудование для получения, формирования и ускорения ионных пучков Для получения, формирования и ускорения до необходимых энергий ионных пучков легирующих веществ, а также для размещения обрабатываемых подложек используются ионно-лучевые установки.В зависимости от требуемой дозы легирования (количества ионов внедряемого вещества, ударяющегося о единицу поверхности подложки) и энергии ионов разработано несколько типов установок ионной имплантации: больших, средних и малых доз, сильно- и слаботочных, высокоэнергетических.Существуют установки ионной имплантации, различающиеся по способам сканирования ионного пучка по подложке. Применяется механическое перемещение подложек относительно неподвижного ионного пучка. В этом случае отпадает необходимость в системах магнитного или электростатического сканирования ионного пучка. По такому принципу построены, как правило, высокоэнергетические установки.Сильноточные установки предпочтительнее создавать с комбинированным сканированием: электростатическим ионного пучка с одновременным перемещением подложек.Для достижения хорошей воспроизводимости параметров имплантированных слоев от подложки к подложке и от партии к партии подложек при высокой плотности ионного тока используется индивидуальный метод обработки неподвижной пластины. При этом сфокусированный ионный пучок сканирует по всей поверхности подложки, а к системе электростатического сканирования предъявляются повышенные требования с точки зрения стабильности формы пучка и траектории его перемещения.В установках ионной имплантации применяются источники ионов, различающиеся по принципу образования одно- и многозарядных ионов. Последние используются в высокоэнергетических системах. Существуют источники образования ионов электронным или ионным ударом, в результате термического воздействия или химической реакции, дуговым разрядом в парах рабочего вещества или лазерным излучением, а также газоразрядные, плазменные и высокочастотные источники ионов. Назначением каждого источника является эффективное сообщение нейтральным атомам и молекулам вещества количества энергии, достаточного для отрыва внешних электронов. В результате ионизации в источнике устанавливается определенная концентрация заряженных частиц, вытягивание которых и формирование в пучок требуемого сечения является назначением ионно-оптической системы. Системы ускорения ионного пучка бывают двух типов: с одиночным зазором между двумя электродами (используются для сообщения ионам энергии до 40...100 кэВ) и с многозазорными ускорительными секциями, на каждой из которых ионы получают энергию по 15...20 кэВ (используются в установках с высокими, до 1 МэВ и более энергиями ионов).Фокусировку пучка до определенного сечения можно осуществить как электростатическим, так и магнитным полем. Фокусирующие линзы могут быть в виде полых цилиндров, диафрагм с отверстиями или электромагнитных катушек.Применяемые в установках ионной имплантации устройства сканирования пучка используются для центрирования движения пучка в ионно-оптической системе, направления пучка на определенный участок, сканирования пучка по подложке. При этом не должна нарушаться фокусировка пучка, система отклонения должна иметь достаточную чувствительность и малую инерционность. Одним из главных преимуществ процесса ионной имплантации является возможность точного контроля дозы внедряемой примеси. При этом измеряется как общее количество ионов, попадающих на мишень, так и равномерность их распределения по поверхности пластины.

35. Ионные источники с поверхностной термической ионизацией. П. и. перспективна для разработки плазменных двигателей, а также лежит в основе мн. методов изучения физ.-хим. хар-к поверхностей тв. тел и взаимодействующих с ними ч-ц.ПОВЕРХНОСТНАЯ ИОНИЗАЦИЯ - образованиеионов в процессе термич. десорбции частиц с поверхности твёрдого тела. <Путём П. и. могут образовываться положительные и отрицат. ионы (последние, <если частица обладает сродством к электрону)атомов, молекул. П. и. - термически равновесный процесс, испарившиеся частицыимеютбольцмановское распределение по энергии с темп-рой Т распределения, <равной темп-ре твёрдого тела.Наиболее простым по конструкции является источник с поверхностной термической ионизацией. Принцип его действия основан 'на явлении поверхностной ионизации, когда адсорбирующиеся на разогретой по­верхности атомы, имеющие меньший потенциал ионизации, чем работа выхода электронов из адсорбента, отдают ему свой внешний электрон. После этого адсорбированные атомы могут покинуть поверхность уже в виде положительных ионов. При отсутствии влияния внешнего электрического поля, согласно правилу Саха — Ленгмюра, зависимость степени ионизации α⁺ от температуры Т, потенциала ионизации I_н адсорбированных атомов и работа выхода металла ионизатора еφ имеет следующий вид:где N+ — число ионов; N₀ — число атомов, десорбирующихся с поверхности без ионизации; А — константа, характеризующая отношение статических весов ионного и атомного состояний.Конструкция такого источника может состоять из прямонакального вольфрамового керна, выполненного из ленты. На ленту помещают запас щелочного металла или соединения его в виде соли. Обычно на поверхности ионизатора наносят галоидную соль щелочного или щелочно-земельного металла, например КI, NaCl, СаСl₂ и др. Источники позволяют получить с помощью дополнительного вытягивающего электрода потоки положительных ионов Nа+, Сs+, Rb+, К⁺, Li⁺, а также потоки отрицательных ионов I^-, F^-, Br^-, С1^-.Ионные потоки характеризуются очень малым энер­гетическим разбросом ионов (0,1—0,3 эВ), отсутствием многозарядных ионов, относительной чистотой состава. Однако общие токи сравнительно невелики. Плотность ионных токов не превышает 10^-4—10^-3 А/см².

1. Какие рабочие жидкости используются в пароструйных насосах?

В качестве рабочей жидкости в диффузионных насосах используют ртуть (Р-1; Р-2), минеральные масла (ВМ-1; ВМ-5), синтетические масла на основе сложных эфиров, кремнийорганические жидкости (ВКЖ-94; ПФМС-2). Ртуть не окисляется и не разлагается при высоких температурах. Но токсичный, химически активный к цветным металлам. Эфиры имеют высокую термоокислительную стойкость. Давление насыщенных паров 10^-9 Па. Очень дорогостоящие. Кремнийорганические жидкости имеют высокую термоокислительную стойкость и низкую температуру упругих паров 10^-5 Па. Минеральные масла низкая упругость паров 10^-6 Па и термоокислительная стойкость не высокая. Для нормальной ра­боты диффузионного насоса требу­ется определенная мощность подог­ревателя.

2. Каково назначение вакуумных ловушек?

Вакуумные ловушки - это устройства, служащие для предотвращения проникновения паров рабочих жидкостей в рабочую камеру. В зависимости от рабочего давления ловушки подразделяются на форвакуумные и высоковакуумные, от принципа действия - на механические, конденсационные, сорбционные и электрические.

Одной из таких ловушек является ловушка шевронного типа. Ее конструкция имеет такой вид, что бы молекула, двигаясь через нее обязательно касалось ее поверхности. Сама ловушка охлаждается жидким азотом или водой. Рабочая жидкость находится в парообразном состоянии, касается ее и конденсируется на поверхности ее стенки, и опять становится жидкостью и стекает в низ. Назначением является предотвращение проникновение рабочей жидкости в вакуумную камеру.

3. Для чего применяются фракционирующие устройства в пароструйных насосах?

Фракционирующее устройство используется для разделения рабочей жидкости на фракции, которые имеют различных температуры испарения. Температура испарения в центре фракционирующего устройства вследствие его формы выше, чем по краям.