Введение в лазерные технологии

Лазерные технологии с момента своего открытия широко применяются в самых разных отраслях науки и техники, а также в быту. Все мы пользуемся лазерными принтерами, лазерными указками, в магазинах используются считыватели штрих-кодов на основе лазерного луча. В медицине с помощью лазеров проводятся сложнейшие операции и многое другое.

Наш курс посвящен физическим основам лазерных технологий. Цель курса — дать глубокое понимание физических процессов, происходящих при взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом и рассмотреть физические проблемы этого взаимодействия.
Применение знаний, полученных при изучении курса, будет способствовать повышению эффективности как существующих производств, так и внедрению лазерных технологических процессов в еще не охваченные области промышленности.

Курс включает два основных раздела:
1. Физические процессы, происходящие при взаимодействии мощного лазерного излучения с металлами, полупроводниками и диэлектриками;
2. Лазерные технологические установки и лазерные технологические процессы.

В этом курсе Вы:
• узнаете, что статистика Ферми-Дирака, которой подчиняются свободные электроны в металле, накладывает значительные ограничения на процесс поглощения лазерного излучения,
• откроете для себя многообразие физических процессов поглощения лазерного излучения полупроводниками,
• получат возможность оценить возможность реализации того или иного технологического процесса,
• научитесь правильно выбирать и составлять схему установки.

В рамках курса Вы познакомитесь не только с принципами работы различных технологических лазеров, но и с недостатками и преимуществами всех используемых активных элементов технологических лазеров, включая самые современные волоконные лазеры.
В качестве примера использования лазеров в технологии будет подробно рассмотрена современная лазерная технология в области электроники и создания интегральных схем. Весьма интересным представляется раздел лазерной химии, основанный на резонансном возбуждении атомов и молекул лазерным излучением. Здесь Вы получите новую информацию об уникальных возможностях лазерного излучения для разделения изотопов (включая разделение изотопов в атомной промышленности), получению особо чистых веществ и синтезу новых материалов.

По завершении этого курса Вы сможете:
1. объяснить, как проходит процесс взаимодействия лазерного излучения с металлами, полупроводниками и диэлектриками;
2. выбрать оптимальный тип технологического лазера для осуществления того или иного технологического процесса;
3. построить оптимальную схему лазерной технологической установки;
4. дать рекомендации для оптимизации того или иного технологического процесса;
5. дать рекомендации по внедрению лазерной технологии в различные производства.

Чтобы наиболее полно овладеть материалом курса, учащиеся должны знаниями основ физики твердого тела, лазерной физики, квантовой механики и статистической физики

• Введение в лазерные технологии
• В этом модуле Вы познакомитесь с возможностями лазерного излучения, как уникального инструмента, позволяющего выполнять широчайший спектр технологических операций в самых различных областях промышленности, начиная от микро- и нано- электроники и заканчивая резкой и сваркой больших деталей в судостроении, авиастроении и космических технологиях. Будут введены понятия критических плотностей мощности и представлены схемы классификации лазерных технологических процессов.
• Взаимодействие мощного лазерного излучения с веществом
• В этом модуле Вы узнаете, как происходят процессы передачи энергии мощного лазерного излучения металлам, какие ограничения накладывает статистика Ферми-Дирака на взаимодействие свободных электронов в металле с квантами света, получите оценку характерных времен взаимодействия.
• Механизмы поглощения лазерного излучения полупроводниками и диэлектриками
• Этот раздел дает глубокое представление о различных механизмах взаимодействия лазерного излучения с собственными и легированными полупроводниками, а также с диэлектриками. Вы узнаете, какие энергетические параметры определяют характер взаимодействия квантов света с полупроводниками и диэлектриками.
• Оптические свойства металлов
• В этом модуле Вы узнаете, как описать оптические свойства металлов в параметрах комплексного показателя преломления. Вы получите представление о пространственно-временных характеристиках лазерного излучения как источника тепла, различных типах лазерных импульсов и узнаете, как получить необходимые параметры лазерных импульсов на практике.
• Процессы нагрева материалов при воздействии лазерного излучения
• В этом модуле будут рассмотрены процессы нагрева материалов под действием лазерного излучения путем постановки и решения уравнения теплопроводности в аналитической форме в так называемом линейном приближении. Буду получены такие важные характеристики нагрева материала, как глубина температурного фронта, скорости нагрева и охлаждения, градиент температуры, значения критических плотностей мощности и др.
• Нелинейные случаи нагрева материала лазерным излучением
• В этом модуле будут рассмотрены процессы нагрева материалов с учетом реально существующих нелинейностей первого, второго и третьего типов. Значительное внимание будет уделено изменениям, которые вносит учет зависимости поглощающей способности от температуры для умеренных и больших плотностей мощности лазерного излучения.
• Физические свойства лазерной плазмы
• В этом модуле будет представлено описание процессов, возникающих при превышении порога плазмообразования, введены характеристики и свойства лазерной плазмы, описаны методы измерения температуры лазерной плазмы. В заключение раздела будут рассмотрены возможности использования лазерной плазмы в качестве источника рентгеновского излучения.
• Методы исследования взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом
• В этом модуле Вы узнаете, как измерить кинетические и динамические характеристики воздействия лазерного излучения на материалы. Будут описаны методы высокоскоростной фоторегистрации, измерения скоростей разлетающихся частиц, пара и плазмы, измерения зависимости давления на поверхности от времени, измерения оптических характеристик материалов и их изменения под действием мощных лазерных импульсов.
• Лазерные технологические установки
• В этом модуле Вы узнаете, из каких основных элементов состоит современная лазерная технологическая установка, освоите принципы фокусировки мощного лазерного излучения, правила оптимальной компоновки оптических энергетических систем. Здесь также будут обсуждены оптические материалы, прозрачные в области излучения СО2-лазеров, схемы построения зеркальных фокусирующих систем, параметры лазерных зеркал.
• Лазерные технологические установки на основе твердотельных лазеров
• В этом модуле Вы узнаете, какие активные элементы применяются в современных технологических установках на основе твердотельных лазеров. Будут приведены сравнительные характеристики активных элементов на рубине, гранате, стекле. Будут обсуждены преимущества четырех-уровневой системы ионов неодима в сравнении с трех-уровневой системой ионов хрома. Будут представлены схемы квантронов с ламповой и диодной накачкой. Будут изложены принципы работы волоконных лазеров.
• Лазерные технологические установки на основе СО2-лазеров
• В этом модуле Вы узнаете, как создается инверсная населенность в энергетической системе уровней СО2 молекул, чем определяется к.п.д. СО2-лазеров. Будут приведены схемы построения лазерных технологических установок на основе лазеров с диффузионным охлаждением, лазеров с конвективным охлаждением с продольной и поперечной прокачкой газовой смеси, непрерывных, импульсных и импульсно-периодических лазеров.
• Лазерная технология полупроводников
• В этом модуле Вы узнаете, что в современной электронике практически каждая технологическая операция выполняется с использованием лазерного излучения. К примеру, в микроэлектронике использование лазеров включает очистку полупроводниковых пластин, геттерирование, нанесение рисунка, создание p-n переходов и МОП структур, создание токопроводящих дорожек и омических контактов, осаждение тонких эпитаксиальных пленок, подгонку сопротивлений и конденсаторов, скрайбирование, приварку электрических выводов, маркировку чипов, герметическую сварку корпусов БИС и СБИС. На этапе создания электронных приборов лазеры используются в нанесении рисунка и сверлении печатных плат, пайке и автоматическом контроле качества пайки контактов.
• Лазерная химия
• В этом модуле Вы узнаете, что одно из важнейших свойств лазерного излучения — монохроматичность приводит к возможности селективно возбуждать атомы и молекулы, что позволяет значительно увеличивать скорость химических реакций, приводить к диссоциации молекул и ионизации атомов и молекул. Эти свойства определяют основу лазерной химии, которая включает в себя лазерное разделение изотопов, лазерный синтез новых материалов и лазерное получение особо чистых веществ. В заключении модуля будут обсуждены возможности использования лазерного разделения изотопов для материалов атомной промышленности.