Основы процесса следообразования при обработке материалов и изделий с помощью лазерного излучения
В последнее время практически во всех отраслях отечественной индустрии начинают активно внедряться лазерные технологии. Если ранее процесс обработки материалов и изделий лазерным излучением традиционно относился к высоким технологиям и использовался в оборонной, электронной, медицинской, авиационной промышленности, то теперь происходит его постепенная ориентация на выпуск товаров широкого потребления. Современные лазерные технологические установки долговечны, компактны и обладают сравнительно низкой стоимостью эксплуатации. Они надежны, длительное время сохраняют свои рабочие параметры и легко интегрируются в любые технологические линии, таккак полностью управляются компьютером.
Основными технологическими операциями, выполняемыми с помощью лазерных установок, являются сверление, фрезерование, гравирование, резка различных материалов, сварка, термическая закалка металлов и сплавов, а также маркировка выпускаемых изделий. Примерами их использования являются следующие технологические операции: раскрой материалов для одежды и обуви, обработка декоративных элементов и фурнитуры одежды, обработка лезвий ножей и режущих инструментов, гравирование изображений на поверхности и в толще материалов сувениров, изготовление флексоклише, печатей и штампов высокой степени защиты, проведение хирургических операций и др. Кроме этого, с помощью лазерных установок выполняются маркировки и клеймения различных изделий, которые имеют ряд преимуществ в сравнении с известными традиционными способами. К ним относятся: маркировка номерных агрегатов транспортных средств, маркировка некоторых видов запорно-пломбировочных устройств и огнестрельного оружия, перфорация банкнот и др.
Высокое качество и воспроизводимость маркерного знака, связанные с отсутствием износа следообразующих частей лазерной установки, а также трудность подделки послужили основанием к тому, что лазерные технологии начали применять при наложении государственного пробирного клейма на ювелирных изделиях из драгоценных металлов и драгоценных камней. Согласно «Правилам продажи изделий из драгоценных металлов и драгоценных камней» (утверждены решением Правительства Российской Федерации от 15 июня 1994 г. № 684) «Государственное пробирное клеймо чеканится на изделиях (или накладывается немеханическим способом: электроискровым или с помощью лазера)».
Однако в криминалистической литературе практически отсутствуют сведения о лазерных технологиях, применяемых при изготовлении изделий массового производства. Нет детального описания морфологических признаков следов лазерной обработки материалов, отсутствуют сведения о возможности диагностических исследований, установления групповой принадлежности или тождества конкретной лазерной установки. Все это приводит к ошибкам в описании объектов криминалистических экспертиз, содержащих следы лазерной обработки и отказам от выводов по существу вопросов. Одним из примеров такой ошибки может служить описание лазерной маркировки на поверхности зажима запорно-пломбировочного устройства (ЗПУ) «Спрут-Универсал» (продукция фирмы «Страж») в одном из заключений эксперта, поступившего на рецензирование в СЮИ МВД России: «Поверхность зажима окрашена красящим веществом белого цвета, поверх которой методом вдавливания красителем серого цвета нанесена буквенно-цифровая маркировка». Следует отметить, что этот вид ЗПУ уже более трех лет выпускался с лазерной маркировкой, а объем поставок на отечественные железные дороги составлял более 60% от общих потребностей.
Таким образом, можно считать, что в отечественной промышленности идет процесс широкого внедрения нового класса производственного оборудования - лазерных технологических установок. Поэтому давно назрела необходимость в криминалистической информации о возможностях экспертного исследования изделий массового производства со следами лазерной обработки.
По нашему мнению, для более ясного представления о процессах обработки изделий массового производства с помощью лазера следует рассмотреть физические основы явления взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом.
Слово «лазер» (LASER) является аббревиатурой слов английского выражения, которое переводится как «усиление света с помощью вынужденного излучения». Принцип работы лазера, или оптического квантового генератора (ОКГ), основан на трех фундаментальных идеях, родившихся в разное время в различных областях физики. Первая идея связана с использованием вынужденного испускания света атомными системами, открытого Альбертом Эйнштейном в 1917 г. при теоретическом изучении некогерентного теплового излучения. Как было показано, испускаемые при этом фотоны неотличимы от тех, что вызвали испускание. Вторая идея заключается в применении термодинамических неравновесных систем, в которых возможно усиление, а не поглощение света. Она была высказана русским ученым В. А. Фабрикантом в 1940 г. Третья идея, берущая начало в радиофизике, состоит в использовании положительной обратной связи для превращения усиливающей системы в генератор когерентного излучения.
Первые квантовые генераторы, работающие в микроволновом диапазоне, были созданы в 1954 г. Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым в СССР и Ч. Таунсом в США. Активной средой в них служил пучок молекул аммиака; инверсия населенностей на рабочем переходе достигалась пространственным разделением молекул в различных квантовых состояниях при прохождении пучка через неоднородное электрическое поле. За разработку нового принципа усиления и генерации электромагнитных волн и создание первых молекулярных генераторов когерентного микроволнового излучения Н. Г.Басову, А. М. Прохорову и Ч. Таунсу была присуждена Нобелевская премия 1964 г. по физике. Первый оптический квантовый генератор (лазер), работающий в импульсном режиме, был создан в 1960 г. Активной средой в нем служил стержень из кристалла рубина, возбуждаемый светом от лампы - вспышки. Годом позже был построен первый лазер непрерывного действия с газообразной активной средой, в качестве которой использовалась смесь неона и гелия.
Исключительные свойства когерентного лазерного излучения, коренным образом отличающие его от некогерентного излучения, традиционного для оптической области тепловых, газоразрядных и люминесцентных источников света, обусловили бурное развитие лазерной техники и широкое применение в научных исследованиях и в практике. В настоящее время существует много типов лазеров, отличающихся способами возбуждения активной среды, спектральной областью, мощностью, временными и спектральными характеристиками излучения.
Рассмотрим кратко особенности конструкции и работы некоторых основных типов лазеров. В качестве примера твердотельных лазеров возьмем лазер на кристалле рубина. Рубин - это кристалл оксида алюминия (корунд), в котором небольшая часть ионов алюминия А1г0з(~0,05%) при выращивании замещена ионами хрома Сг. Сам корунд в видимой области прозрачен, и основную роль в работе лазера играют ионы хрома. Инверсия населённостей создается между основным состоянием Ei и уровнем Е2. Этому переходу соответствует длина волны L = 694, 3 нм в красной области спектра. Выше уровня Е2 лежат широкие полосы энергетических уровней Е3 и Е3. Переходам в них из основного состояния соответствуют две широкие полосы поглощения в зеленой и синей областях спектра. С этим поглощением связана розовая окраска рубина. В первых экспериментах цилиндрический стержень рубина длиной несколько сантиметров и диаметром около 1 см освещался мощным импульсом белого света от лампы - вспышки, которая располагалась вокруг стержня в виде спирали. При достаточной энергии вспышки большая часть ионов хрома, поглощая свет, переходит в состояния Е3 и Е3. Затем ионы хрома за время порядка 10 с без излучения переходят на уровень Е2, передавая избыток энергии колебаниям кристаллической решётки. Время жизни ионов хрома в возбуждённом состоянии Е2 составляет несколько миллисекунд, что на несколько порядков величины превышает типичные времена жизни возбуждённых состояний (10 - 10с). Возбуждённые уровни со столь большим временем жизни называют метастабильными. При недостаточной энергии вспышки на уровне Е2 окажется меньше половины всех ионов хрома. Тогда обратный их переход в основное состояние происходит спонтанно (за время 1 м. с.) и сопровождается люминесценцией на длине волны L= 694,3 нм.
Когда на уровне Е2 накопится более половины всех ионов хрома, то между уровнями Е и Е2 возникает инверсия населённостей (N2>Ni). Такой механизм её образования называют оптической накачкой. Если рубиновый стержень помещён во внешний оптический резонатор или имеет посеребрённые плоскопараллельные торцы, в нём возникает короткий импульс лазерной генерации на длине волны 694,3 нм.
Из-за сравнительно высокой длительности импульса (порядка 1 мс) мощность рубинового лазера достигает нескольких киловатт при сравнительно небольшой энергии (несколько джоулей). Мощность излучения в импульсе можно повысить, если добиться сокращения его длительности. Для этого используют режим модулированной добротности, сущность которого заключается в следующем. Генерация в лазере начинается, когда инверсия населённостей превысит заданное значение. При этом можно получить более высокую концентрацию возбуждённых ионов хрома в освещённом кристалле рубина. Для этого одно из зеркал резонатора заменяют, например, быстровращающейся призмой полного отражения. Включение обратной связи и снижение порога генерации происходит только при определённом положении призмы. К этому моменту лампа-вспышка обеспечивает перевод значительной части ионов хрома в возбуждённое состояние, и в результате развивается очень короткий (до 10 с) импульс генерации с мощностью до 10 Вт. Ещё более короткие импульсы можно получить, если модулировать добротность резонатора с помощью оптического затвора. Его малая инерционность позволяет получить импульсы длительностью до 10с.
Наряду с рубиновым лазером, работающим по трёхуровневой схеме, широкое распространение получили четырёхуровневые лазеры на ионах редкоземельных элементов (неодим, самарий), внедрённых в кристаллическую (флюорит кальция) или стеклянную матрицу. Эти ионы обладают чрезвычайно подходящей для лазеров структурой энергетических уровней.
Лазер на неодимовом стекле генерирует излучение на длине волны 1,06 мкм в виде импульсов с очень большими энергиями (около 1 кДж). По четырёхуровневой схеме также работает лазер непрерывного действия на кристалле иттрий-алюминиевого граната (YAG) с примесью неодима с выходной мощностью до 1 кВт в непрерывном режиме.
Прежде чем говорить о применении лазерных технологических установок в промышленности, рассмотрим кратко их устройство и принцип действия. Само название установок говорит о том, что их основным узлом является лазер или оптический квантовый генератор (ОКГ). Благодаря своим уникальным возможностям лазеры получили быстрое техническое применение. К настоящему времени разработаны различные типы твердотельных, жидкостных, газовых и полупроводниковых лазеров, но наибольшее распространение в промышленности получили твердотельные лазеры.
Из большого числа материалов, используемых для активного элемента, практическое применение получили: рубин (длина волны излучения 0,69 мкм), иттрий-алюминиевый гранат и стекло, активированные неодимом (длина волны излучения 1,06 мкм). Активные элементы имеют форму стержней, и в наиболее распространенных лазерных установках используются стержни диаметром 0, 5 - 2 см и длиной 10 - 50 см.
В активном элементе лазера при поглощении энергии накачки происходит генерация световой энергии (вынужденное излучение). Благодаря конструктивным особенностям активного элемента лазера и наличию резонатора энергия излучения распространяется вдоль оптической оси и выводится наружу через полупрозрачное зеркало резонатора. Излучение выходит из резонатора почти параллельным пучком, благодаря чему оно может быть сфокусировано на очень маленькой площадке, диаметр которой имеет порядок длины волны («1 мкм). С этим связана чрезвычайно высокая плотность мощности излучения в зоне обработки - до 10 ВТ/см, которой достаточно для испарения любого материала. Таким образом, по отношению к лазерному лучу понятие температуры плавления материала не имеет смысла и возможна обработка самых твердых и самых тугоплавких материалов.
В качестве источников накачки в твердотельных лазерах обычно используются ксеноновые лампы. В зависимости от режимов работы лампы накачки и элементов управления излучением лазеры могут излучать энергию непрерывно или импульсно. Первые называются лазерами непрерывного действия, вторые - импульсными лазерами.
Основными параметрами лазерного излучения, определяющими процессы поглощения его веществом с последующим нагревом, плавлением и испарением, являются длина волны излучения X, плотность мощности q (энергия импульса излучения) и длительность импульса т.
Длина волны излучения определяется типом активной среды и определяет ту часть энергии, которая поглощается обрабатываемым материалом и переходит в тепло.
Энергия излучения зависит от рабочего напряжения источника питания и эффективности преобразования электрической энергии в световую.
Концентрация энергии излучения на поверхности обрабатываемого материала достигается с помощью фокусировки специальными оптическими системами.
Лазерное излучение, обрабатывающее конденсированное вещество, удобнее всего характеризовать в терминах поверхностной плотности мощности или интенсивности. Такой подход позволяет ориентироваться в выборе типа лазера для реализации конкретных технологических процессов (нагрев, плавление, испарение) применительно к материалам с известными оптическими и теплофизическими параметрами.
В соответствии с существующей терминологией различают малые (q~10-10 Вт/см), средние или умеренные (q~10 -10 Вт/см) и большие (q> 10 Вт/см) интенсивности лазерного облучения. иллюстрирует основные виды лазерной обработки в координатах q-т, причем для непрерывного процесса генерации лазерного излучения время взаимодействия т определяется как необходимое для перемещения пятна излучения на расстояние, равное диаметру этого пятна, а для импульсных процессов время взаимодействия равно длительности импульса.
Кроме источников лазерного излучения промышленная технологическая установка содержит фокусирующую оптическую систему, устройства сканирования лазерного излучения и блок управления.
Устройство сканирования обеспечивает перемещение сфокусированного лазерного луча по поверхности обрабатываемого изделия, а блок управления задает необходимые параметры обработки.
Процесс лазерной обработки условно можно представить следующим образом. При взаимодействии с поверхностью материала лазерный луч частично отражается, а частично проникает внутрь материала, поглощается в нем и быстро переходит в тепло. Эффект воздействия зависит от материала следовоспринимающей поверхности и рабочих параметров лазерной установки.
Часть излучения, падающего на поверхность, поглощается и рассеивается продуктами разрушения. При этом основными процессами поглощения в газе (паре) является фотопоглощение возбужденными атомами и тормозное поглощение электронами в поле однозарядных ионов и нейтральных атомов, а также поглощение и рассеяние светового потока на частицах конденсата. Поглощение энергии излучения вызывает дополнительный разогрев струи продуктов разрушения и увеличения яркости свечения, причем наблюдается соответствие между свечением струи и пучками импульса излучения лазера. Движущаяся струя парожидкостной смеси плавит и размывает стенки лунки, увеличивая ее диаметр. Расплавленный металл выбрасывается наружу и образует тонкий, словно расплющенный венчик, выходящий из лунки и несколько приподнятый над поверхностью металла. Венчик заканчивается остроконечными выплесками - языками. Часто на их концах, а также на поверхности образца за венчиком наблюдаются сферические капли застывшего металла. Поверхность образца за венчиком покрыта слоем коричневого цвета, состоящим из окислов - продуктов сгорания металла в воздухе. При облучении стальных образцов в вакууме этот слой отсутствует. Размеры венчика и выплесков - языков, а также капель определяются главным образом режимом обработки, т. е. энергией, длительностью излучения ОКТ и теплофизическими параметрами материала.
С уменьшением длительности импульса количество жидкой фазы также уменьшается. Однако ее доля в продуктах разрушения всегда остается достаточно большой, так что на наружной поверхности венчика можно различить концентрические пояса различных цветов побежалости, обусловленных разными скоростями охлаждения металла.
По виду протекающих процессов различают нагревание (без плавления или испарения), плавление, плавление с частичным испарением, испарение и фотолитический процесс. Наиболее часто используются процесс плавления с частичным испарением материала, в результате чего на поверхности изделия в зоне воздействия излучения образуются характерные следы. В зависимости от целей обработки это могут быть углубления, вызванные удалением части материала или сквозные отверстия различной формы: конусообразной, треугольной, круглой, овальной, крестообразной и др. Кроме того, могут образовываться капли переплавленного материала, локальные зоны с изменением цвета поверхности и микрорельефа в зоне обработки. Например, затвердевший выброшенный расплавленный материал может образовывать гребень вдоль линии углубления и мелкие капли в зоне обработки.
Как правило, на одной лазерной установке можно выполнять несколько видов обработки, которые делятся на два класса: размерную обработку и термическую обработку. Размерная обработка включает в себя сверление (прошивку), резку, фрезерование, гравирование, точечную сварку и характеризуется тем, что зона обработки имеет резкую границу. Ниже будет показано, что следы размерной обработки наиболее пригодны для трасологического исследования, так как в них отображается наибольшее количество конструктивно-технологических признаков лазерной установки.
Термическая обработка подразделяется на пайку, очистку, сварку с глубоким проплавлением, отжиг, поверхностное упрочнение, легирование поверхности, закалка черных металлов. Процесс следообразования в этом случае характерен тем, что граница зоны воздействия излучения размыта. При этом перемещение лазерного луча по поверхности изделия происходит плавно, так что информация о свойствах лазерной установки непрерывно стирается и заменяется новой.
Маркировка является особым видом размерной обработки, так как имеет двойственное целевое назначение: обеспечение верификации предметов при их исследовании, а также их защиту от некоторых видов преступных посягательств. Поэтому представляется целесообразным рассмотреть более подробно методы лазерной маркировки на изделиях массового производства, к которым имеется повышенный интерес со стороны криминальных структур. К таким изделиям относятся: огнестрельное оружие, пломбировочные устройства, ювелирные украшения, дорогостоящее оборудование, автомобили и т.п.
Автор: Кудинова Н.С.