Microsoft Word doc

10.6. 
Области
 
применения
 
лазеров
 
Рассмотрим
на
конкретных
примерах
некоторые
области
применения
лазерной
техники
. 
Передача
 
информации
 
по
 
стекловолокнам
 
Генерируемая
полупроводниковым
лазерным
диодом
(
инжекционным
лазером
) 
как
передатчиком
световая
волна
спо
-
собна
передавать
информацию
на
расстояния
до
100 
км
через
тонкое
стекловолокно
диаметром
в
несколько
тысячных
долей
миллиметра
(
рис
. 10.16). 
Соединенные
промежуточными
усили
-
телями
стекловолоконные
кабели
осуществляют
связь
между
континентами
через
моря
и
океаны
. 
Рис
. 10.16. 
Передача
информации
по
стекловолокнам

---

256 
В
1988 
году
был
проложен
первый
подводный
стеклово
-
локонный
кабель
для
осуществления
трансатлантической
связи
между
восточным
побережьем
США
и
Европой
. 
Проведенный
в
1989 
году
транстихоокеанский
стекловолоконный
кабель
был
рассчитан
на
скорость
передачи
данных
280 
Мбит
/
с
. 
Эта
под
-
водная
стекловолоконная
линия
содержала
оптические
усилите
-
ли
, 
благодаря
которым
удалось
значительно
снизить
число
тре
-
буемых
оптоэлектронных
преобразований
и
регенераций
элек
-
трических
сигналов
. 
Объединив
в
кабели
100 
стекловолокон
, 
можно
одновре
-
менно
включить
свыше
1000 
телевизионных
каналов
или
, 
напри
-
мер
, 1 
млн
телефонных
линий
, 
можно
передавать
информацию
со
скоростью
до
2 
Тбит
/
с
. 
Подобные
способы
применения
лазерной
техники
и
современной
оптики
в
информационных
технологиях
находятся
в
настоящее
время
в
центре
развития
. 
Лазерная
 
обработка
 
материалов
 
При
использовании
энергии
лазера
для
обработки
мате
-
риалов
плотность
мощности
и
время
облучения
должны
соот
-
ветствовать
выбранному
способу
обработки
. 
При
низкой
плот
-
ности
мощности
и
длительном
времени
облучения
большой
объем
вещества
нагревается
теплопроводностью
. 
При
высокой
плотности
мощности
и
коротком
времени
облучения
материал
нагревается
только
в
зоне
падающего
лазерного
луча
. 
На
рис
. 10.17 
приведены
плотности
мощности
лазерного
излучения
в
зависимости
от
времени
облучения
для
разных
про
-
цессов
обработки
. 
Границы
диапазонов
здесь
невозможно
обо
-
значить
точно
, 
ибо
они
зависят
от
типа
используемого
лазера
и
обрабатываемого
материала
. 
При
лазерной
 
резке
листового
металла
, 
например
, 
для
кор
-
пусов
машин
материал
доводится
до
расплавленного
состояния
, 
после
чего
жидкое
вещество
выталкивается
струей
газа
. 
Преиму
-
щество
применения
лазерного
луча
состоит
в
том
, 
что
он
может

---

257 
Рис
. 10.17. 
Плотности
мощности
и
длительности
импульсов
для
обработки
материалов
с
помощью
лазеров
следовать
по
сложной
пространственной
траектории
, 
позволяет
практически
без
износа
инструментов
легко
обрабатывать
даже
очень
твердые
материалы
, 
которые
обычно
поддаются
только
ли
-
нейному
резанию
с
применением
алмазных
шлифовальных
кругов
. 
При
лазерной
 
сварке
стальных
листов
достигаются
ско
-
рости
порядка
нескольких
метров
в
минуту
(
рис
. 10.18). 
В
ре
-
жиме
теплопроводной
сварки
лазерный
луч
так
проводится
по
поверхности
материала
, 
что
температура
кипения
не
достига
-
ется
, 
но
начинается
едва
заметное
испарение
. 
Под
действием
лазерного
излучения
расплавляются
подлежащие
соединению
детали
, 
приложенные
друг
к
другу
по
сварному
шву
. 
Сварной
шов
при
этом
не
очень
глубок
и
примерно
соответствует
его
1,5-
кратной
ширине
. 
Более
сложными
представляются
опера
-
ции
по
сварке
с
глубоким
проплавлением
. 
Здесь
температура
выше
точки
кипения
, 
поэтому
расплав
перемещается
под
дав
-
лением
пара
в
сварном
шве
. 
Расплав
циркулирует
и
частично
даже
поднимается
на
поверхности
материала
, 
образуя
валик
. 

---

258 
Сварной
шов
отличается
мелкозернистой
кристаллической
струк
-
турой
с
минимумом
загрязнений
. 
Нередко
его
прочность
пре
-
вышает
прочность
сваренного
материала
. 
Рис
. 10.18. 
Скорость
сварки
с
применением
лазера
высокой
энергии
излучения
Лазерная
сварка
очень
популярна
и
в
электронной
промыш
-
ленности
, 
где
ее
используют
для
соединения
разнородных
веществ
. 
Лазерной
 
термообработке
,
 
закалке
,
 
легированию
подвер
-
гают
металл
с
целью
повышения
механических
и
химических
свойств
, 
снижения
циклической
усталости
, 
а
также
улучшения
внешнего
вида
изделия
. 
Рис
. 10.19 
демонстрирует
в
поперечном
разрезе
поверхность
, 
закаленную
на
ширину
4 
мм
лучом
лазера
. 
При
этом
было
достигнуто
существенное
повышение
ее
прочности
. 
Новые
свойства
поверхности
металла
, 
недоступные
тра
-
диционным
методам
диффузионного
насыщения
поверхности
металла
примесью
, 
дает
технология
лазерного
легирования
. 
По
-
верхностное
легирование
началось
в
промышленном
масштабе

---

259 
Рис
. 10.19. 
Закалка
поверхности
лазерным
излучением
:
вверху
– 
разрез
перпендикулярно
поверхности
разной
структуры
; 
внизу
– 
характеристика
закалки
только
в
последние
годы
именно
благодаря
применению
лазе
-
ров
. 
При
этом
на
заготовку
наносится
порошкообразное
вещест
-
во
(
бор
или
карбид
), 
которое
лазерным
излучением
сплавляется
с
поверхностью
. 
В
результате
образуется
новый
сплав
, 
который
при
быстром
охлаждении
отличается
чрезвычайно
мелкозерни
-
стой
и
прочной
структурой
. 
При
кратковременном
лазерном
оп
-
лавлении
поверхности
металла
возникающие
интенсивные
гид
-
родинамические
потоки
термокапиллярной
конвекции
ускоряют
процессы
массопереноса
по
всей
зоне
оплавления
. 
В
итоге
тон
-
кая
корочка
поверхностно
упрочненного
металла
при
мягкой
сердцевине
повышает
ствойкость
металла
к
истиранию
и
цикли
-
ческим
нагрузкам
. 
Результаты
моделирования
этой
технологии
представлены
на
рис
. 10.20. 

---

260 
Рис
. 10.20. 
Оплавление
титана
через
14 
мс
после
начала
импульсного
лазерного
воздействия
: 
а
– 
распределение
температуры
на
поверхности
; 
б
– 
изотермы
; 
в
– 
траектории
течения
расплава
. 
Энергия
в
импульсе
– 8 
Дж
; 
плотность
потока
энергии
– 3,3
⋅
10
8
Вт
/
м
2
; 
длительность
импульса
– 
6
⋅
10
–3
c;
диаметр
лазерного
пучка
d
≈
1,2 
мм
; 
глубина
проплавления
h
≈
0,25 
мм
Лазерные
 
способы
 
скрабирования
 
и
 
разделения
полупро
-
водниковых
чипов
, 
производимых
в
большом
количестве
на
кремниевой
подложке
или
кристаллической
пластине
диаметром
в
несколько
сантиметров
, 
а
также
пайка
и
подгонка
резисторов
путем
съема
материала
с
помощью
лазеров
уже
давно
утверди
-
лись
в
области
производства
микроэлектроники
. 
Измерение
 
расстояний
 
Измерения
расстояний
с
применением
лазерного
луча
сво
-
дятся
к
измерениям
времени
. 
Благодаря
лазерному
излучению
любую
длину
можно
определить
как
временной
интервал
, 
необ
-
ходимый
световому
лучу
для
прохождения
измеряемого
участка
. 
Важную
роль
в
развитии
измерительной
техники
играет
ге
-
нерация
сверхкоротких
световых
импульсов
, 
которые
позволяют
исследовать
с
высоким
временным
разрешением
быстро
проте
-

---

261 
кающие
химические
реакции
. 
Как
электронный
микроскоп
в
про
-
странственном
диапазоне
, 
лазер
обеспечивает
во
временном
диапа
-
зоне
возможность
изучения
элементарных
структур
. 
С
помощью
лазеров
создаются
так
называемые
«
микроскопы
времени
», 
эффек
-
тивность
которых
почти
на
12 
порядков
превосходит
традицион
-
ные
«
лупы
времени
» (
устройства
растяжения
сигнала
во
времени
), 
широко
применяемые
в
кино
- 
и
телевизионной
технике
. 
Время
пробега
коротких
импульсов
находит
свое
применение
в
геодезии
для
точного
и
удобного
определения
расстояний
. 
Лазерные
лучи
распространяются
с
отличной
фокусиров
-
кой
и
очень
хорошей
прямолинейностью
, 
поэтому
могут
служить
в
качестве
направленных
лучей
при
строительстве
дорог
, 
кана
-
лов
, 
туннелей
, 
зданий
, 
а
также
для
точной
центровки
при
сборке
механизмов
, 
установке
оборудования
.