Реферат: Описание проекта/технологии

Лазеры на парах бромида меди для применения в промышленности (прецизионная обработка материалов), научных исследованиях, медицине, шоу-бизнесе


Исполнитель: Закрытое акционерное общество «Научно-внедренческое предприятие «ТОПАЗ»

Руководитель проекта: Левицкий Михаил Ефимович

Адрес: 634055, г. Томск, пр. Академический, 1

Телефон: (3822) 492-678

Факс: (3822)492-194

E-mail: top@iao.ru
Описание проекта/технологии
Аннотация (описание разработки/технологии)

Проект направлен на разработку нового поколения лазеров на парах бромида меди (ЛПБМ), предназначенных для решения широкого круга производственных задач, связанных с прецизионной обработкой (раскрой, маркировка, сверление и т.д.) различных материалов, в первую очередь металлов. Уникальная совокупность выходных параметров излучения этих лазеров (короткие длины волн, дифракционное качество пучка, высокие средние и импульсные мощности, высокие частоты повторения импульсов) позволяют осуществлять перечисленные операции с качеством и пространственным разрешением, недоступными при использовании наиболее распространенных на сегодняшний день «технологических» СО2, YAG:Nd и эксимерных лазеров. Кроме того, указанные лазеры могут найти применение в научных исследованиях, медицине, рекламном и шоу бизнесе, при создании навигационных систем и устройств, там, где требуются лазерные источники интенсивного видимого излучения. Однако, отметим еще раз, что именно микротехнологии (а, если ориентироваться на использование гармоник ЛПБМ, лежащих в ближнем УФ диапазоне спектра, то в перспективе и нанотехнологии), определяют сегодня ту область применений ЛПБМ внутри которой эти лазеры будут реально востребованными, трудно заменимыми и, соответственно, будут испытывать значительно меньшую конкуренцию, чем в других областях.

В основе настоящего проекта лежит обнаруженная нами возможность создания лазеров на парах солей металлов (в частном случае ЛПБМ), работающих при пониженных уровнях энергии, вкладываемой в газовый разряд. До сих пор все известные нам лазеры на парах металлов являлись саморазогревными. Это означает, что у них источником энергии, необходимой и для поддержания рабочей температуры (т.е. для создания необходимой плотности паров металла), и для собственно возбуждения атомов металла, является импульсно-периодический разряд, поддерживаемый в активном объеме. Суть предлагаемого нами режима пониженного энерговклада (РПЭ) состоит в том, чтобы энергию, выделяемую в разряде, использовать только для возбуждения рабочих атомов. При этом для приведения активного элемента в рабочее состояние должен использоваться отдельный автономный источник питания. Преимущества (по отношению к саморазогревным конструкциям), приобретаемые в связи с переходом к РПЭ, представляются достаточно очевидными. Во-первых, появляется возможность существенно уменьшить требуемую мощность основного (поддерживающего разряд) источника питания (ИП), который на сегодняшний день являются самым сложным, самым ненадежным и самым дорогостоящим элементом «медных» лазеров. Во-вторых, появляется возможность оперативно управлять параметрами импульсного излучения, изменяя, например, частоту следования, скважность, импульсную мощность или вообще прекращая генерацию на длительные промежутки времени (т.н. ждущий режим). В саморазогревных лазерах любые аналогичные действия невозможны по определению. Наконец, последнее. Чем выше требуемые энерговклады в разряд, тем сложнее в практическом плане осуществить оптимизацию возбуждающих импульсов. Это связано с тем, что максимум энерговклада в разряд и максимум лазерной генерации достигаются при различных условиях. Таким образом, при переходе к РПЭ, когда один из процессов, требующих оптимизации исключается, появляется возможность более полно оптимизировать второй, существенно приблизив лазерный кпд (от энерговклада в разряд) к его физическому пределу.

Проведенные нами исследования показали, что использование оптимальных концентраций добавок HBr в активную среду позволяют в два и более раз увеличить кпд и мощность лазера. Аналогичные результаты ранее были получены с добавками водорода, однако они в случае лазеров на парах солей металлов могут носить лишь разовый характер. Для оптимизированных добавок HBr нами была разработана конструкция реверсивного генератора HBr, встроенного в отпаянный активный элемент ЛПБМ, с помощью которого удается точно установить оптимальное давление паров бромистого водорода и поддерживать его на этом уровне в автоматическом режиме и сколько угодно длительное время.



^ Существующая проблемная ситуация по направлению разработки

Несмотря на свои явные достоинства лазеры на парах металлов и в частности «медные» лазеры используются значительно реже, чем уступающие им по производственным показателям, СО2, YAG:Nd и эксимерные лазеры. Это объясняется тем, что в силу ряда объективных обстоятельств «медные» лазеры, как промышленные приборы, при своей относительно невысокой стоимости явно проигрывают в «качестве». Под этим термином мы понимаем совокупность таких эксплуатационно-технических параметров как: надежность и стабильность работы, рабочий ресурс, простота эксплуатации, связанная с высокой степенью автоматизации процесса поддержания необходимых рабочих параметров, возможность управления рабочими режимами от внешней программы. Найденные нами решения позволяют существенно повысить ресурс и надежность ЛПБМ (сравнимо с ресурсом и надежностью отпаянных CO2-лазеров), увеличить более чем в два раза КПД, поддерживать в автоматическом режиме рабочие параметры лазера, программно управлять параметрами импульсного излучения, изменяя например частоту следования, скважность, импульсную мощность и, таким образом, существенно снизить величину отношения «цена/качество».

^ Технологическая сфера
Х Электроника и оптоэлектроника

 Электроника,  Высокие технологии,  Информация,

 Связь, Х Оптоэлектроника

 Механика и аэронавтика

 Механика,  Аэронавтика,  Астронавтика,

 Автоматика,  Электричество,  Транспорт

 Материалы и химическое производство

 Химическая промышленность,  Новые материалы

 Биотехнологии и Фармацевтическая промышленность

 Биотехнологии,  Медицина,  Фармакология

 Поддерживающее производство

 Энергия,  Ресурсы,  Технологии защиты окружающей среды,  Безопасность и здоровье

 Другое (указать)


^ Основные характеристики разработки/технологии
Назначение/описание
(сфера применения)

Несмотря на то, что ЛПБМ могут быть использованы для решения широкого круга задач, не связанных с промышленными технологиями, коммерческие перспективы мы связываем с растущими потребностями производства в прецизионной обработке материалов, обусловленными развитием микротехнологий. К данной области мы относим технологии производства полупроводниковой и микроэлектронной продукции, создания микромеханических узлов и систем, требующих высокой точности и высокого качества обработки.

Среди наиболее эффектных применений следует отметить:

Лазерное сверление микроотверстий, в том числе отверстий сложной формы для широкого круга трудно обрабатываемых материалов (металлы, керамика, кремний, полимеры, алмаз). Применяется при изготовлении сопел струйных принтеров, топливных инжекторов в автомобилестроении и аэрокосмической промышленности, жидкостных и газовых дозаторов и фильтрующих сеток с плотными рядами микроотверстий в химическом машиностроении.

Лазерное скрайбирование и разделение таких материалов, как кремний, сапфир, GaN, боросиликатное стекло. Применяется при изготовлении полупроводниковых и LED-компонентов.

Лазерная прецизионная резка (металлы, керамика, кремний, полимеры, алмаз), например изготовление медицинских стентов.

Лазерная микромаркировка и гравировка, например гравировка 2D-матричных кодов.

При изготовлении телекоммуникационных волоконных компонентов (волоконные Брэгговские решетки, зачистка оптического волокна).

В микроэлектронике при изготовлении гибких электрических цепей.

Лазерное 2,5D-формообразование – изготовление деталей сложной формы на основе лазерной абляции заготовок.




Технические характеристики

Технические характеристики ЛПБМ:

-длины волн излучения, нм 510.6, 578.2;

-характер излучения импульсно-периодический;

-частота повторения импульсов, кГц 15-30;

-длительность импульса, нс 20-40;

-средняя мощность генерации на обеих линиях, Вт

с плоскопараллельным резонатором 20-25;

с неустойчивым резонатором 15-20;

-мощность источника питания, кВт 1.5-2;

-кпд лазера от источника питания, % ~ 1.5;

-ресурс работы активного элемента, час > 2000;

-охлаждение воздушное;

-режимы работы лазера активный, ждущий, импульсной модуляции;

-продолжительность ждущего режима неограниченна;

-время выхода из ждущего режима, мин не более 1-2 мин;

-при работе лазера в режиме модуляции импульсов

-максимальные габариты, см 40*30*180;

-вес, кг < 60.

^ Сравнение с существующими аналогами


Сравнительная оценка с лучшими аналогами представлена в таблице.

Тип лазера

Pср, Вт

F, кГц

τи, нс

Расходимость, мрад.

Цена, тыс. долл.


Тв.-тельный с ламп. накачкой

10 - 1000

10 - 40

100

10

30 – 200


Тв.-тельный с диодн. накачкой

1 - 10

10 - 40

100

3 - 6

20 - 100


Эксимерный

1 - 80

0,001 - 1

10

0,4 - 2

100 - 500


ЛПБМ (настоящий проект)

1 – 40

10 – 300

30

0,1 – 2

4 – 50


По имеющимся у нас сведениям, за рубежом коммерческие ЛПБМ производятся малыми сериями только в Болгарии (фирма «PulseLight. Ltd». Объемы продаж неизвестны.

Фирма “PulseLight” (Болгария) является единственной в мире компанией, рекламирующей свою готовность осуществлять поставки ЛПБМ с выходной мощностью 1-40 Вт и, которая, должна рассматриваться, как наш единственный на сегодняшний день прямой конкурент.

В отличие от лазеров болгарского производства предлагаемые нами ЛПБМ снабжены встроенными генераторами HBr и работают в режиме пониженного энерговклада в разряд, что позволяет увеличить более, чем в два раза кпд, существенно повысить рабочий ресурс активного элемента и источника питания, обеспечивает возможность автоматического управления рабочими параметрами лазера и программно управлять параметрами излучения.
^ Конкурентные преимущества (экономические)
Выполнение данного проекта приведет к появлению на рынке конкурентноспособных и дешевых лазеров видимого диапазона спектра, обладающих широкой сферой эффективного применения.

Средняя цена на предлагаемую продукцию в сравнении с аналогичными (по характеристикам в плане использования) лазерами представлена в Таблице.


Тип лазера, мощность, Вт

Средняя цена, тыс.$ (тыс.$/1 Вт)


Эксимерный (Lambda-Physik LPX 2100 CC), 5

150 (30/Вт)


YAG:Nd (Spectra-Physics Millenia),5

30 (6/Вт)


Ионный (Coherent Sabre TSM-7),7

30 (4,5/Вт)


ЛПМ (Oxford Lasers) прокачной, 10

60 (6/Вт)


ЛПМ («Исток», Кулон-LT-10Cu), 10

18(1,8/Вт)


ЛПБМ (CBL 10, PulseLight), 10

15(1,5/Вт)


ЛПБМ (настоящий проект), 20

20 (1/Вт)



^ Существенные признаки новизны (инновационный потенциал)

Основные элементы конструкции ЛПБМ защищены патентами РФ.

Рыночный потенциал (для разработок/ технологий двойного назначения другие возможные области применения и потенциальные потребители)




^ Оценка рынка, объем платежеспособного спроса и его география

Потенциальный объем продаж составляет до $ 5000 000 в год. Продукция может быть востребована в Европе, США, странах Юго-Восточной Азии.
^ Текущая стадия развития разработки/технологии
 НИР

 макет, опытный образец

 промежуточный НИОКР, дополнительные исследования

промышленный образец

Х ОКР, проектно-сметная документация

 другое (указать)
^ Стадия коммерциализации
Х проведены маркетинговые исследования

 уже на рынке России

 наличие бизнес- плана

 другое (указать)

^ Режим охраны и порядок использования интеллектуальной собственности (ИС)



Х в режиме know-how

 соглашение о распределении прав на объекты ИС

Х подана заявка на патенты, но патенты еще не получены

Х имеется лицензионное соглашение

Х патенты получены

 другое (указать)

Комментарии (даты и номера имеющихся документов/патентов, патентообладатель)

Патент на изобретение №2243619 от 18.02.2003 г.,

Решение о выдаче Патента на изобретение от 28.02.2006 г.

№2004132665/28(035451) с приоритетом от 09.11.2004 г.

Заявка на патент №2005130448/28(034125) от 30.09.2005 г.,

Патентообладатель: Институт оптики атмосферы СО РАН.

Владелец прав на объекты интеллектуальной собственности


Институт оптики атмосферы СО РАН, ЗАО НВП «ТОПАЗ» (по лицензии)

^ Срок выполнения работ, необходимых для доведения разработки до коммерциализации, результаты

- этапы работ

I. Создание опытного образца; II. Создание промышленного образца;

- срок выполнения работ

I. 9 месяцев; II. 9 месяцев.

- ожидаемые результаты


Промышленный образец ЛПБМ с выходной мощностью излучения 20 Вт.

Необходимые финансовые ресурсы для выполнения проекта (тыс. евро)
^ Общая стоимость проекта
400
Источники финансовых средств



1. Бюджетные средства

253

2. Средства заказчика

100

3. Собственные средства

47

4. Другое (указать)



^ Направления расходования финансовых средств (тыс. евро) - оборудование
10
- материалы
40
- оплата труда
40
- прочие расходы (указать)
10 (маркетинговые исследования, сертификация)




Потенциальный промышленный партнер

-полное наименование



Организации – соисполнители
- наименование



Необходимая помощь от зарубежного партнера
Проведение дополнительных маркетинговых исследований, изучение рынка, продажа за рубежом, система сервиса за рубежом.