Лазерная обработка материалов

Принципы лазерной обработки материалов

Лазерная обработка материалов основана на точном и контролируемом взаимодействии когерентного электромагнитного излучения высокой интенсивности с веществом. Основные процессы, происходящие при облучении материалов лазерным излучением, включают: нагрев, плавление, испарение, субабляцию, фотодеструкцию, фотоионизацию, плазмообразование и последующую переработку материала. Параметры лазера, такие как длина волны, мощность, длительность импульса, частота повторения и пространственное распределение интенсивности, определяют характер взаимодействия и результат воздействия на материал.

Поглощение лазерного излучения

Поглощение излучения в материале играет ключевую роль в инициации всех дальнейших процессов. Поглощённая энергия преобразуется в тепло, возбуждённые состояния, ионизацию или химические изменения. Эффективность поглощения зависит от:

Оптических свойств материала: коэффициента поглощения, отражения, преломления;
Поляризации и угла падения излучения;
Микроструктуры поверхности (шероховатость, наличие дефектов).

В металлах поглощение происходит в основном за счёт свободных электронов, в диэлектриках — через многофотонные процессы и лавинную ионизацию. В полупроводниках возможны как прямые переходы между зонами, так и непрямые с участием фононов.

Тепловое воздействие и механизмы удаления материала

Поглощённая энергия приводит к локальному нагреву и образованию температурных градиентов. В зависимости от плотности мощности излучения реализуются различные режимы:

Нагрев и термическая диффузия (мощности < 10⁴ Вт/см²): применяются при термообработке без изменения фазы;
Плавление (10⁴–10⁶ Вт/см²): используется для резки, сварки, пайки;
Испарение и сублимация (10⁶–10⁷ Вт/см²): приводит к испарению вещества с поверхности — основа лазерной абляции;
Плазменная абляция (≥10⁸ Вт/см²): при экстремальных плотностях мощности образуется плазма, способствующая удалению материала.

Эффективность термического удаления материала ограничивается теплопроводностью, теплоёмкостью и фазовыми переходами.

Импульсная и непрерывная лазерная обработка

Выбор режима (непрерывный/импульсный) оказывает существенное влияние на глубину, точность и качество обработки:

Импульсные лазеры (нс, пс, фс) обеспечивают высокую локализацию энергии и минимальное тепловое воздействие на окружающий материал. Ультракороткие импульсы (фемтосекундные) позволяют проводить холодную абляцию с высокой точностью и без термической зоны влияния.
Непрерывные лазеры обеспечивают стабильную теплопередачу и применяются для процессов, требующих устойчивого нагрева — например, при сварке или наплавке.

Типы лазеров в обработке материалов

Для различных задач используются лазеры разных типов:

CO₂-лазеры (λ ≈ 10.6 мкм) — эффективны для обработки неметаллов и диэлектриков;
Nd:YAG-лазеры (λ = 1.06 мкм) — подходят для большинства металлов, обладают высокой мощностью;
Волоконные лазеры — обеспечивают отличную фокусировку, компактность и стабильность;
Эксимерные лазеры (ультрафиолетовая область) — используются для обработки чувствительных материалов и фотолитографии;
Фемтосекундные лазеры — обеспечивают субмикронную точность и минимальные тепловые эффекты.

Выбор лазера зависит от требуемой точности, скорости, глубины проникновения, а также свойств материала.

Резка и сверление лазером

Лазерная резка реализуется за счёт локализованного плавления или испарения материала вдоль заданной траектории. Основные параметры процесса:

Глубина и ширина реза зависят от мощности, диаметра фокусировки и скорости перемещения;
Тип реза: испарительный, плавильный (с выдувом материала газом);
Качество края: определяется режимом фокусировки, скоростью, использованием вспомогательных газов (азот, кислород, аргон).

Лазерное сверление реализуется серией импульсов или непрерывным излучением с формированием сквозного отверстия. Применяется в аэрокосмической, электронной и медицинской промышленности.

Лазерная сварка и наплавка

При сварке лазером металл расплавляется на заданной глубине с последующим схватыванием. Преимущества лазерной сварки:

Высокая точность;
Минимальная зона термического влияния;
Возможность сварки разнородных материалов;
Автоматизация и интеграция в роботизированные системы.

Лазерная наплавка — процесс нанесения покрытий с использованием порошков или проволоки, расплавляемых лазером. Применяется для ремонта деталей, создания износостойких слоёв, прецизионного 3D-производства.

Лазерная абляция и микрообработка

Абляция — удаление материала с поверхности под действием коротких и ультракоротких импульсов. Преимущества:

Минимальное тепловое повреждение;
Высокая точность;
Возможность структурирования на микро- и наноуровне.

Применяется в микроэлектронике (гравировка, прорезание тонких плёнок), биомедицине (лазерная хирургия, офтальмология), оптике (микролинзы, дифракционные элементы), а также в изготовлении MEMS-устройств.

Лазерная текстуризация и модификация поверхности

Фокусированное лазерное излучение позволяет создавать на поверхности регулярные структуры — Laser-Induced Periodic Surface Structures (LIPSS), используемые для:

Улучшения адгезии и смачиваемости;
Создания гидрофобных/гидрофильных поверхностей;
Оптимизации трибологических свойств (снижение трения и износа);
Оптической маркировки и защиты от подделок.

В зависимости от длительности импульсов и параметров фокусировки можно получать структуры от микро- до наноразмерного масштаба.

Лазерная кристаллизация и отжиг

При воздействии на аморфные или поликристаллические материалы лазер может вызывать локальное расплавление с последующей рекристаллизацией. Это используется для:

Повышения проводимости тонкоплёночных структур;
Изменения морфологии;
Формирования высококачественных кристаллических слоёв в микроэлектронике (например, в дисплеях OLED, TFT);

Также лазер используется для локального термического отжига, позволяющего изменять механические и электрические свойства без воздействия на весь объем образца.

Контроль параметров и диагностика процессов

Современные установки лазерной обработки сопровождаются системами реального времени для:

Мониторинга температуры и излучения;
Обратной связи по глубине реза, качеству сварного шва;
Управления фокусировкой и траекторией;
Адаптивной коррекции параметров в процессе обработки.

Используются методы пирометрии, спектроскопии плазмы, лазерной интерферометрии, камеры высокого разрешения и т.п.

Промышленные и научные применения

Лазерная обработка материалов охватывает широкий спектр отраслей:

Машиностроение — резка, сварка, упрочнение;
Микроэлектроника — литография, травление, контактирование;
Медицина — хирургия, модификация имплантатов;
Авиация и космос — восстановление и защита лопаток, прецизионная резка;
Ювелирное производство — маркировка, пайка, гравировка;
Наука — исследования свойств материалов при экстремальных условиях.

Благодаря высокой точности, гибкости, возможности автоматизации и отсутствию физического контакта лазерная обработка становится неотъемлемым инструментом современной технологии.