Устройство для лазерной сварки с помощью лазерного излучения

Полезная модель может найти применение для сварки, резки, термической обработки, пайки пластических материалов, керамики, в машиностроении, ветеринарии, медицине при хирургических операциях и антибактерицидной обработке, технической сборки микро- и наносистем, в устройствах лазерной абляции, например, для получения наночастиц и т.д.
Для сварки, резки, термической обработки, пайки пластических материалов, керамики, в машиностроении, ветеринарии, медицине при хирургических операциях и антибактерицидной обработке, технической сборки микро- и наносистем, в устройствах лазерной абляции, например, для получения наночастиц используются устройства лазерной микросварки (А. Рыжкин, В. Илясов, А. Чуларис Лазерная микросварка в электронике: опыт использования и перспективы // ФОТОНИКА 2/2009, с. 10-14; В.Л. Ланин Лазерная пайка и микросварка изделий электроники // Электронная обработка материалов, 2005, No 3, С. 79-84.). Техническая сборка микро- и наносистем базируется на эффектах, возникающих при синтезе материалов методами лазерного воздействия (Kovalenko V. Laser micro and nano manufacturing. - Proceeding of the Fifth Int. Conf. "Beam Technologies & Laser Application", Sept., 2006, Saint-Peterburg, Russia.).
8
9
2
Воздействие лазерным излучением в виде сфокусированного луча создает высокую концентрацию энергии (порядка 10-10 Вт/см) на поверхности материалов, что обеспечивает локальный нагрев с высокой скоростью и незначительной зоной термического влияния.
Устройство лазерного формирования контактных соединений (В.Л. Ланин Лазерная пайка и микросварка изделий электроники // Электронная обработка материалов, 2005, No 3, С. 79-84.) состоит из источника оптического излучения, блоков регулирования энергии излучения, питания БП и управления БУ, оптической системы и системы охлаждения лазера.
Известно устройство для сварки лазером (ЕР 1688209, Laser welding apparatus and method), фокусирующая система которого включает первую по ходу луча фокусирующую линзу, вторую по ходу луча, рассеивающую линзу и третью по ходу луча направляющую линзу. Устройство также содержит секцию регулировки, предназначенную для настройки взаимного расположения линз, обеспечивающую настройку необходимых параметров фокусировки лазерного пучка.
Известна система для лазерной сварки с помощью лазерного луча (Патент США № 8314359, Methods and systems for laser welding transparent materials with an ultrashort pulsed laser), состоящая из источника лазерного излучения и фокусирующего устройства (линзы), предназначенного для фокусировки лазерного излучения в одну точку на подвергающемся сварке объекте.
Недостатком известных устройств является низкое пространственное разрешение фокусирующих устройств, обеспечивающих широкую полосу воздействия лазерного излучения на объект.
В зависимости от конкретного приложения, для сварки может использоваться непрерывный или импульсный лазерный луч.
В известных процессах лазерной сварки детали свариваются хорошо сфокусированными лазерными лучами; для сварки или соединения пластиковых материалов используется лазерный луч, фокусируемый на точку. Формирующая оптика включает в себя источник лазерного луча, коллиматор, осуществляющий коллимацию лазерного луча, и фокусирующее устройство (например, линзу), фокусирующее сколлимированный лазерный луч на подвергающемся сварке объекте.
В качестве лазеров могут применяться волоконные лазеры (Грезев Н. В., Шамов Е. М., Маркушов Ю. В. Сварка волоконными лазерами//Ритм машиностроения. - 2016. - № 7. - С. 34-40.).
В качестве оптической системы могут использоваться зеркальные антенны. Известна оптическая система в виде двухзеркальной антенны Кассегрена (Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высшая школа, 1988). Она может быть сфокусирована как на конечном, так и на бесконечном расстоянии до источника излучения.
Известны оптические системы на основе диэлектрических линз (Зелкин Е.Г., Петрова Р.А. Линзовые антенны. М.: Советское радио, 1974).
Диаметр пятна Эйри h определяется так называемым критерием Рэлея, который устанавливает предел концентрации (фокусировки) электромагнитного поля с помощью оптических систем [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970]:
,
где λ - длина волны излучения, D - диаметр первичного зеркала или линзы оптической системы, F - фокусное расстояние оптической системы.
Диаметр пятна Эйри h является важным параметром оптической системы, который определяет ее собственную разрешающую способность в фокальной плоскости. Максимальное разрешение идеальной оптической системы не может превышать величины λ/2.
Известна система для лазерной сварки с помощью лазерного излучения (Патент РФ № 2532686) и принятая за прототип. В данном техническом решении раскрывается система для лазерной сварки, состоящая из источника лазерного излучения, коллиматора, предназначенного для коллимации лазерного излучения, и фокусирующего устройства (системы микролинз, дифракционного оптического элемента), предназначенного для фокусировки сколлимированного лазерного излучения в одну точку на подвергающемся сварке объекте.
Недостатком данного устройства является низкое пространственное разрешение, ограниченное дифракционным пределом формирующей системы, обеспечивающее широкую полосу воздействия лазерного излучения на объект.
Задачей, решаемой предлагаемым устройством, является повышение качества лазерной сварки микро и нано объектов за счет повышения разрешающей способности формирующей системы.
Технический результат, который может быть получен при выполнении заявленного устройства, - улучшение разрешающей способности устройств лазерной сварки микро и нано объектов.
Поставленная задача решается благодаря тому, что устройство для лазерной сварки с помощью лазерного излучения, включает источник лазерного излучения, фокусирующее устройство для фокусировки сколлимированного лазерного излучения в одну точку на подвергающемся сварке объекте, согласно полезной модели фокусирующее устройство выполнено в виде мезоразмерной диэлектрической частицы, с характерным размером не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, с коэффициентом преломления материала частицы, лежащем в диапазоне примерно от 1,3 до 1,7 и формирующей фотонную струю на внешней границе частицы с противоположной стороны от падающего излучения.
При этом фокусирующее устройство может быть выполнено в виде монослоя мезоразмерных диэлектрических частиц.
При этом фокусирующее устройство выполнено в виде мезоразмерной частицы, по оптической оси которой выполнен канал постоянного сечения с характерным поперечным размером не более примерно 0,25λ.
Наличие признаков, отличающих изобретение от прототипа, позволяет сделать вывод о соответствии его критерию «новизна».
Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков полезной модели на достигаемый технический результат. Указанные новые свойства объекта обусловливают, по мнению заявителя, соответствие полезной модели критерию «изобретательский уровень».
Преодолеть дифракционный предел в оптике можно различными способами, например с помощью эффекта «фотонной наноструи» (например, см. A. Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl. Phys. Lett., 89, 221118 (2006)). Поперечный размер фотонной наноструи составляет 1/3…1/4 длины волны излучения, что меньше дифракционного предела классической линзы.
При этом формировать локальные области концентрирования электромагнитной энергии вблизи поверхности мезоразмерных диэлектрических частиц возможно с помощью частиц различной формы, например в форме сферы, куба, конуса, пирамиды, при облучении их электромагнитной волной с плоским волновым фронтом и т.д. [I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016, http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook].
Возможность получения фотонных наноструй была изучена для диэлектрических осесимметричных тел, например, эллиптических наночастиц, многослойных слоисто-неоднородных микросферических частиц с радиальным градиентом коэффициента преломления, а также «обрезанных» полусфер, дисков, цилиндра-сферы, круглого конуса и для несимметричных мезоразмерных диэлектрических частиц (Минин И.В., Минин О.В. Фотонные струи в науке и технике // Вестник СГУГиТ, Том 22, No 2, 2017, с. 212-234; Minin I. V., Minin O. V., Geintz Y. E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review // Annalen der Physik (AdP). - 2015. doi: 10.1002/andp.201500132).
В результате проведенных исследований было обнаружено, что диэлектрические мезочастицы, например, в форме куба или сферы с характерным размером не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, с коэффициентом преломления материала, лежащим в диапазоне от 1,3 до 1,7 при их облучении электромагнитной волной, формируют на их внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения локальную область с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью примерно 10λ.
Дальнейшее уменьшение поперечных размеров области фокусировки для мезоразмерных частиц возможно при выполнении вдоль оптической оси частицы канала с малым поперечным сечением. В результате экспериментальных исследований и результатов математического моделирования было установлено, что в случае выполнения фокусирущего устройства в виде кубоида с величиной ребра, равного (0,9-1,2)λΝ, где N=1,2,…, λ - длина волны излучения, с относительным контрастом показателя преломления примерно от 1,3 до 1,7, происходит наиболее эффективная фокусировка излучения. При увеличении или уменьшении указанного диапазона величины ребра кубоида-линзы происходит уменьшение эффективности передачи электромагнитной энергии в канал частицы. Установлено, что мезоразмерная диэлектрическая частица сохраняет свою работоспособность и на гармониках излучения, где N - номер гармоники.
При выполнении канала постоянного, например, круглого сечения с характерным поперечным размером не более примерно 0,25λ и расположенного по оптической оси мезоразмерной частицы, электромагнитная волна может распространяться в нем как в волноводе. Фокусировка электромагнитной энергии мезоразмерной частицей сосредоточит ее внутри волновода. При этом на выходе из фокусирующего устройства формируется симметричная в поперечном направлении область фокусировки. Ширина фокусного пятна, сформированного на границе мезоразмерной частицы, будет близка к характерному поперечному размеру канала, который не превышает величины примерно 0,25λ. Чем меньше характерный поперечный размер канала, тем меньше ширина фокальной области и меньше доля акустической энергии в фокусе. Минимальный размер канала составляет примерно 0,02λ.
При коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы менее 1,3 поперечный размер локальной области концентрации поля становится порядка дифракционного предела и может быть обеспечен формирующей системой. При коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы более 1,7 локальная концентрация электромагнитного поля возникает внутри частицы и не может быть использована для целей сварки.
2
2
В качестве мезоразмерных микро и нано фокусирующих частиц могут использоваться, например, шарики из двуокиси кремния (SiO), двуокиси титана (TiO), полистирола, различных видов стекол и т.д., кубики могут быть выполненны, например, из кремния (Janne-Mieke Meijer,a Dmytro V. Byelov,a Laura Rossi, Anatoly Snigirev,Irina Snigireva, Albert P. Philipsea and Andrei V. Petukhov. Self-assembly of colloidal hematite cubes: a microradian X-ray diffraction exploration of sedimentary crystals // Soft Matter, 2013, 9, 10729-10738).
На фиг. 1 представлена схема устройства для лазерной наносварки.
На фиг. 2 представлена схема устройства для лазерной наносварки с фокусирующим устройством в виде монослоя мезоразмерных частиц.
На фиг. 3 приведены примеры формирования мезоразмерной частицей различной формы в виде: сферы, куба, усеченной сферы, конуса, куба с каналом расположенным вдоль его оптической оси, фотонной струи.
Обозначения: 1 - источник лазерного излучения, 2 - лазерное сколлимированное излучение, 3 - мезоразмерная диэлектрическая частица, 4 - фотонная струя, 5 - объект сварки, 6 - монослой мезоразмерных диэлектрических частиц.
Работает устройство следующим образом. Источник лазерного излучения 1, например, волоконный лазер, формирует лазерное сколлимированное излучение 2 в направлении на фокусирующее устройство 3, выполненное в виде мезоразмерной диэлектрической частицы или монослоя мезоразмерных диэлектрических частиц 6. Мезоразмерная диэлектрическая частица 3 формирует непосредственно у своей задней границы фотонную струю 4 с поперечными размерами порядка (1,3-1,4) λ, где λ длина волны лазерного излучения. При выполнении в качестве фокусирующего устройства мезоразмерной частицы 3 с каналом, фокусировка электромагнитной энергии мезоразмерной частицей сосредоточит ее внутри канала на внешней границе частица, по отношению к падающему излучению и с минимальным размером канала примерно 0,02λ. В результате, на объекте сварки 5, возникает высокая концентрация энергии на поверхности материалов, что обеспечивает локальный нагрев с высокой скоростью и незначительной зоной термического влияния.
При выполнении фокусирующего устройства в виде монослоя мезоразмерных диэлектрических частиц 6, процесс происходит аналогично использованию одной мезоразмерной частицы 3, но с одновременным формированием нескольких фотонных струй 4 на объекте сварки 5.
Применение в качестве фокусирующего устройства мезоразмерых частиц, формирующих фотонную струю позволяет уменьшить ширину сварки не менее чем в (1,6-2) - 50 раз по сравнению с прототипом и увеличить концентрацию энергии на поверхности материалов, что недостижимо для существующих фокусирующих устройств, уменьшить габариты устройства.
Таким образом, решается задача создания устройства для лазерной наносварки с минимальной шириной зоны сварки на объекте.