5
минание о числе камней можно видеть и на циферблатах других часов с механическим заводом. Что это за камни? Речь идет о рубиновых камнях, использемых в часовом механизме в качестве подшипников скольжения. Чтобы изготовить такой подшипник, надо выверить в рубине (материале весма твердом и в то же время хруплом) небольшоеуглубление диаметром всего 0,1 мм. Многие годы эта операция выполнялась механическим способом с использованием сверл из специально обработанной тонкой проволоки. Сверло делало в минуту более 10 000 оборотов и одновременно совершало при этом около 100 возвратно-поступательных перемещений. Для сверления одного камня требовалось примерно 15 минут.
Начиная с 1964 года малопроизводительное механическое сверление отверстий в часовых камнях стало повсеместно заменять лазерным сверлением. Конечно, термин «лазерное сверление» не надо понять буквально. Лазерный луч не сверлит отверстие — оно создает за счет интегисивного испарения материалов. Отверстие в рубиновом камне (при толщине заготовки 1 мм) пробивается серий из нескольких лазерных импульсов, имеющих энергию 0,1 Дж и длиательность порядка с (то есть имеющих максимальную мощность порядка Вт); при фокусировке лазерного импульса в световое пятно диаметром 0,01 см обеспечивает световая интенсивность порядка Вт/сm². Производительность работы лазерной установки, действующей в автоматическом режиме, — один камень в секунду. Это примерно в тысячу (!) раз выше производительности механического сверления.
Во многих изменительных приборах, в технических процесах, требующих соблюдения высокой точности, необходимо очень тонкие проволоки из меди, бронзы, волфрама. Чтобы получить такую проволоку, металл протягивает сквозь отверстия соответствующего диаметра, высокленные в сверхтвердом материале, например в алмазе (так называемые алмазные фильеры). Алмазные фильеры позволяют проводку диаметром всего 10 мкм; эта проволока в десяти раз тонше человека всего волока. Но как просверлить столбное отверстие в таком сверхтвердом материале, каким является алмаз? Механические это сделать довольно трудно; для сверления одного отверстия требуется до десяти часов. Это совсем нетрудно пробить это отверстие серий из нескольких сфокусированных мощных лазерных импульсов.
Как видите, лазерное сверление обладает рядом весма важных преимущества: оно позволяет получить отверстия в материалов, отличающихся высокой твердостью (например, алмаз) или повышенной хруплостью (например, глиноземная керамника); можно получить очень тонкие отверстия, и при этом относение глубины probываемых лазером отверстий к их диаметру достигаетrekordно больших значений (по сравнению с другими методами сверления) — глубина отверстия может превышать его диаметр в 10—50 раз. Во всех случаях лазерное сверление отличается высокой производительностью. Наконец, в отличие от обычных сверл «лазерные сверла» не ломаются и не изнашиваются.
Развитие микрозлектронки организации связи с совершенствованием технологии изготовления микросхем. Большую помощь может оказать здесь лазерный луч. Вначале лазеры применяются лишь для микросварки. Так, при помощи рубинового лазера привязывается вводы к контактам на кремневых пластинках, привязываясь тонкие провода к тонким плenkам. Затем начали применять -лазеры (лазеры на углесклом газе) для повышения отверстия в керамнических подложках для микросхем. Сегодня лазерный луч все чаще использует для подгонки параметров тонкопленочных схем и для изготовления отдельных элементов схемы. С помощью лазера можно целком изготовить пленочный схему — со всеми входящими в нее резисторами, конденсаторами, индуктивностями. Предположим, что на диэлектрическую подложку микросхемы нанесена напылленем тонкая металлическая плена. Перемещая вдоль поверхности пленки сфокусированное лазерное пятно, можно испарить определенные участки пленки и тем самым создать нужный «рисунок» микросхемы.
6
В нашей дни лазерный луч широко применяют для резания материалов. Им можно резать практические любой материалов: ткани, бумагу, дерево, фанеру, резину, пластмассу, керамику, листовой acбест, стекло, листы металла. При лазерной резке можно получить аккуратные разрезы сложного профиля, с гладкими необожженными краями среда. Для резки используются неперрывно генерирующие лазеры или лазеры, генерирующие последовательность световых импульсов с высокой частотой следования. Требуется мощность излучения зависит от разрезаемого материала и толщины заготовки.
Чтобы продемонстрировать, насколько широко используется сегодня лазерная резка, приведем два примера. Первый пример — лазерная резка и раскрой ткани на современной тканикой фабрике. Устройство включает в себя неперрывно генерирующий CO₂-лазер мощностью 100 Вт, систему фокусировки и перемещения лазерного лука, ЭВМ и система для натажения и перемещения ткани. В процессе резания лазерный луч перемещается по поверхности ткани со скоростью до 1 м/c. Диаметр фокусированного светового пятна равен 0,2 мм. Перемещениями лазерного лука и ткани управляет ЭВМ. Подобное устройство позволяет, например, в течение часа раскроить материал для 50 костюмов. Раскрой производится не только быстро, но и с очень высокой точностью. При этом обеспечивает хорошое качество краев разреза.
Другой пример — применение лазерной резки в авиационной промышленности и, в частности, при производстве космических летательных аппаратов. С помощью лазеров осуществляют автоматизированное разрезание листов титана, стали, алюминия. Непрерывно генерирующий CO₂-лазер мощностью 3 кВт разрезает лист титана толщиной 5 мм со скоростью 3,5 м/min.
Наряду с лазерной резкой широко применяется сегодня и лазерная сварка. Замечательно, что прочность сварных соединений (ширина шва составляется несколько миллиметров) достигает уровня прочности сварваемого материала. Осуществляется автоматическая лазерная сварка кузовов автоматический, общивки судов, сварка газопроводов. На автозаводе имеются И. А. Лихачева в Москве, например, при помощи CO₂-лазера мощностью 5 кВт производят автоматическую лазерную сварку карданныхалов автоматическим. Срок службывали повышается в три раза.
Лазерная сварка успешно конкуррует с хорошего извлечения способами сварки, например с дуговой сваркой. Это убедительно подтверждает таблица, помещенная на этой странице. В таблице приведены данные, относящиеся к дуговой и лазерной сварке одного погонного метра стального листа толщиной 20 мм.
8
ном случае лазерным лучом — «проожечь» отверстия (протоки) в радижной оболочке и тем самым восстановить нормальный отtok внутриглазной жидкости. Очень скоро, однako, выясились, что «проожигание» радижной оболочки вызывает воспаление, которое довольно быстро ликивидирует сделанные протоки. Исследования советских медицин во главе с академиком AMH СССР М. М. Красовым показали, что надо не проиграть, а «пробивать» протоки в радижной оболочке. Для этого нужно, чтобы лазерный имплус был чрезвычайно коротким. В применяемой для лечения глаукомы советской лазерной установке «Ятаган» использовая лазерные имплусы длительностью всего 10⁻⁷с. Вся операция занимает 10—15 минут.
Начиная со второй половины 60-х годов лазерный луч стал применяться в качестве своегообразного скальпеля в хирургии. В СССР практическое использование лазеров в хирургии началось в 1966 году в Институте хирургии имени А. В. Вишневского (под руководством академика AMH СССР А. А. Вишневского). Лазерный скальпель был применен в операциях на внутренних органах грудной и брюшной полости. В настоящее время лазерным лучом делают кожно-пластические операции, операруют пшезовод, желудок, кишечник, почки, печень, сельзенку и другие внутренние органы. Делают первые шаги по применению лазера в операциях на сердце.
Объчно используется CO₂-лазер нерерывного действия мощностью в несколько десятиков batt. Излучение лазера поступает в систему шарниро соединительных полых развигающихся трубок, по которой свет распространяется, отражаясь от зеркал. На выходе из системы излучение вырывается наружу в виде достагоно интенсивного светового луча. Во время операции хирургдержит в руке выходную трубку и может перемешать ее, свободно поворачивая в разных направлениях и тем самым посылая лазерный луч в нужное место.
Лазерный скальпель использует как для рассечения, так и для сшивания ткани. Рассечение ткани производится фокусированным лучом. При мощности излучения 20 Вт и диаметре фокусированного лазерного пятна 1 мм достигается интенсивность около 2,5 кВт/cm². Излучение пропикает в ткани примерно на глубину 50 мкм. Следовательно, объемная плотность мощности излучения, induza на нагрев ткани достигает 500 кВт/cm³. Для биологических ткани это огромная величины. Естественно, происходит быстрое разогревание и испарение ткани — налицо эффектив рассечения ткани лазерным лучом.
Если же сизить интенсивность излучения до 25 Вт/cm², то ткани испарятся не будет, а будет происковать поверхностная коагуляция (сгущение) тканивой жидкости. Этот процесс и использует для сшивания разрезанной ткани. Биологическая сварка осуществляется за счет коагуляции жидкости, содержащейся в рассекаемых стенках операруемого органа и специально выдавливаемой в промежуток между соединяемыми участками ткани.
Лазерный луч как хирургический