Лазерного излучения

Бесконтактное оптическое наблюдение за колебаниями поверхности контролируемого твердого тела осуществляют с помощью лазерного интерферометра [14]. Одна из возможных схем показана на рис. 1.30 справа. Луч высокостабилизированного лазера 9 расщепляют полупрозрачным зеркалом 8 на два луча, которые отражаются от зеркала 6 и ОК 5, поверхность которого колеблется под действием ультразвуковой волны. Лучи фокусируют линзой 10 и принимают фотоумножителем //. Разность хода лучей в плечах интерферометра выставлена так, чтобы она была равна нечетному числу четвертей световых волн. Длина волны выбирается довольно большой (например, 0,6328 мкм от гелий-неонового лазера). Тогда косинусоидальный закон изменения интенсивности интерферирующих лучей при колебаниях поверхности изделия аппроксимируется линейной зависимостью при амплитуде до 3-10~8 м. Из сигнала на фотоумножителе фильтром 12 выделяют низкочастотную составляющую, соответствующую мешающим вибрациям, усиливают ее усилителем 7 и управляют перемещениями зеркала 6, которое укрепляют на компенсирующем его движение пьезоэлементе. Таким образом отстраиваются от влияния вибраций.

Решение. Сигнал, регистрируемый лазерным интерферометром, приблизительно вдвое выше уровня шумов, т. е. равен 10~п м. Это приблизительно в 500 раз больше сигнала, регистрируемого оптимальным пьезоприемником (см. задачу 1.5.1), т. е. чувствительность лазерного интерферометра в 500 раз меньше.

При измерении линейных расстояний, исчисляющихся миллиметрами или сантиметрами, лазерный интерферометр дает возможность осуществить высокую точность измерений непосредственно в производственных условиях, чего не позволяли интерферометры с обычными источниками света. Использование лазерного интерферометра в микроэлектронике для точного перемещения подложки интегральных схем открывает новые возможности на пути создания сверхминиатюрной радиоэлектронной аппаратуры. В оптической промышленности применение лазерного интерферометра позволяет изготовлять прецизионные оптические шкалы и дифракционные решетки.

Рис. 142. Оптическая схема лазерного интерферометра фирмы «Катлер—Хаммер»:

Рис. 144. Оптическая схема лазерного интерферометра г фирмы «Перкин—Элмер»:

Существенными преимуществами рассмотренной схемы являются следующие: возможность направить на фотоприемник почти всю энергию лазерного пучка, так как все сечение пучка может находиться в пределах одной интерференционной полосы; значительно более высокая стабильность фазового сдвига сигналов с фотодатчиков при поперечных смещениях подвижного отражателя относительно оси измерительного пучка; обеспечение работоспособности интерферометра в большом диапазоне перемещений (до 45 м); простота настройки прибора и большие допустимые смещения подвижного отражателя от оси (на ±1,5 мм) благодаря использованию большого диаметра лазерного пучка.

На рис. 145 показана схема проверки штриховых шкал обрабатывающих станков с помощью лазерного интерферометра. При перемещении сканирующей головки 3 относительно измеряемой шкалы 4 генерируется последовательность импульсов, соответствующих действительным значениям измеряемых штриховых делений и их номинальным значениям, полученным с помощью интерферометра 1. Погрешность делений шкалы определяется по фазовому смещению импульсов, а последущий автоматизированный процесс обработки данных позволяет оценить систематическую и случайную составляющую погрешности.

Таким образом, применение лазерного интерферометра высокой точности требует стабилизации скорости движения воздуха (см. п. 17),

Тем не менее, методы второй группы используют при исследованиях. В [425, с. 480/504] оптическим методом с помощью лазерного интерферометра наблюдают за смещениями точек поверхности, вдоль которой распространяется УЗ-волна (метод лазерного детектирования, см. разд. 2.3.7).

Метод лазерного детектирования. Известны методы визуального представления акустических полей в прозрачных жидкостях и твердых средах, основанные на дифракции света на упругих волнах [27]. Они применяются для исследования поля излучения преобразователя и поля дифракции на препятствии. В [425, с. 480/504] визуализация достигается путем наблюдения за смещениями точек поверхности, вдоль которой распространяется УЗ-волна, с помощью лазерного интерферометра. Этим способом удается прослеживать, например, поле наклонного преобразователя на боковой поверхности, вблизи которой он расположен; дифракцию УЗ-волн на различных препятствиях, например на узкой щели и усталостной трещине. Наблюдают дифракционные волны от кончика щели и рэлеевские волны, бегущие по одной и двум поверхностям щели; волны Стоунли на границе раздела двух твердых тел; преломление волн различных типов. Возможна мультипликативная съемка.

вдоль которой распространяется УЗ-волна, с помощью лазерного интерферометра [282, 368, 380].

Выбор рабочей длины волны лазера для сварки полупроводников может иметь важное технологическое значение. Полупроводниковые материалы характеризуются энергией активации собственной проводимости ш, которая численно равна ширине запрещенной зоны. Для различных материалов она различна. Так, для наиболее широко распространенных полупроводников она составляет: для теллура 0,36 эВ; германия 0,72 эВ; кремния 1,1 эВ; арсенида галлия и сульфида кадмия 2,4 эВ. Энергия кванта лазерного излучения

Атом вещества, имея определенный запас энергии, находится в устойчивом энергетическом состоянии и располагается на определенном энергетическом уровне. Для выведения атома из устойчивого энергетического состояния его необходимо возбудить. Возбуждение («накачку») активного вещества осуществляют световой импульсной лампой. Возбужденный атом, получив дополнительный фотон от системы накачки, излучает сразу два фотона, в результате чего происходит своеобразная цепная реакция генерации лазерного излучения,

При повышении интенсивности лазерного излучения одновременно с плавлением будет происходить интенсивное испарение (кипение) материала. Часть вещества превратится в пар, вследствие чего на поверхности металла возникает лунка, начинается процесс формирования отверстия (рис. 18.3, б).

Рве, 18.Я. Воздействие лазерного излучения:

Когда интенсивность излучения достигнет максимума, свет начнет сильно ионизовать пары вещества, превращая их в плазму. Возникнув, плазма преградит дальнейший доступ лазерного излучения к поверхности материала — ведь свет интенсивно поглощается плазмой (рис. 18.3, в).

наименьшую зону термического влияния. С помощью лазерной сварки можно получать высококачественные соединения деталей из коррозионно-стойкой стали, никеля, молибдена и др. Высокая мощность лазерного излучения позволяет сваривать материалы с высокой теплопроводностью (медь, Рис. 18.4. Профиль ка-серебро). Для материалов, плохо поддаю- нала волочения в ал-щихся сварке другими методами (вольфрам шзнои фильере:

Под воздействием лазерного излучения за короткий промежуток времени (10~8—1СГ? с) поверхность детали из стали или чугуна нагревается до очень высоких температур 1. Распространение теплоты в глубь металла осуществляется путем теплопроводности. После прекращения действия лазерного излучения происходит закалка нагретых участков, благодаря интенсивному отводу тепла в глубь металла (самозакалка).

Рис. 3.9. Схема взаимодействия лазерного излучения с веществом: / — нагрев; // — плавление; /// — испарение

Физическая основа образования лазерной искры — возникновение в фокальном пятне вследствие нагрева газа термической плазмы, температура которой может достигать 10б К. Неравномерность распределения по объему плазмы электрически заряженных частиц приводит к резкой неравномерности распределения электрического потенциала в этом объеме и, как следствие, — электрическому пробою. Пробой имеет характер миниатюрного взрыва и сопровождается яркой вспышкой. Поскольку на образование лазерной искры расходуется большое количество энергии излучения лазера и в ряде случаев ее образование нарушает ход технологического процесса с применением лазерного излучения (например, сварки), этого явления стараются избегать.

Исследование перечисленных особенностей лазерного излучения привело к возникновению целого ряда групп технологических процессов, в основе которых лежат те или иные физические явления и эффекты.

пы к излучению лазера (бифуркационный переход) достигается при критическом значении энергии возбуждения, отвечающем резкому увеличению мощности лазерного излучения.