eng
Выпуск #5/2015
Т.Кунце, Т.Роч, Т.Гофман, Е.Федына, В.Коновалов, Д.Ульянов, А.Лазани
Прецизионная прямая лазерная интерференционная гравировка с помощью высокоэнергетических лазеров с модуляцией добротности
Прецизионная прямая лазерная интерференционная гравировка с помощью высокоэнергетических лазеров с модуляцией добротности
Просмотры: 4717
Прецизионная прямая лазерная интерференционная гравировка позволяет создавать периодические структуры на поверхности разнообразных материалов в течение однократного процесса обработки материала. Метод может быть использован для получения поверхностей с заданными свойствами и при создании систем защиты от контрафактной продукции.
И
звестно, что некоторые поверхности с упорядоченной топографией демонстрируют улучшенные характеристики по сравнению с характеристиками поверхностей с хаотичной структурой. Примеры упорядоченной топографии, такие как периодичные поверхностные структуры, встречающиеся в природе у различных растений и животных, появились в результате многотысячелетнего процесса эволюции [1]. Таким образом, природа показала себя в качестве лучшего технолога по приспособлению видов к условиям окружающей среды с целью выживания.[1]
В настоящее время активно развивается область науки, связанная с попыткой рукотворного воспроизведения природных объектов. Лазерные технологии могут послужить средством технической реализации данной задачи, предоставляя при этом хороший экономический эффект [2, 3].
Одним из методов прецизионного нанесения периодических структур на поверхность материала за один процесс является прямая лазерная интерференционная гравировка (ПЛИГ) [4, 5]. Основа метода – это создание на поверхности материала интерференционного поля путем пересечения двух и более пучков когерентного излучения мощных импульсных лазеров, которое, при определенных условиях, приводит к возникновению субмикронных периодических структур на поверхности различных материалов. Такие поверхности потенциально интересны для промышленных, биофизических и медицинских применений. В качестве примера применения ПЛИГ можно назвать системы защиты от контрафактной продукции. ПЛИГ позволяет наносить защитные голографические метки на самые различные поверхности, которые практически невозможно подделать.
На рис.1 показана упрощенная оптическая схема экспериментальной установки ПЛИГ. Для формирования необходимых параметров пучка выходное излучение лазера проходит через фокусирующую линзу и маску. В зависимости от желаемой геометрии структуры, записываемой на поверхности, пучок после прохождения маски разделяется на два и более пучков (на рис.1 показан случай двух пучков). Далее система зеркал сводит разделенные пучки на поверхности материала под определенными углами падения [4]. В результате на поверхности материала создается интерференционная картина с заданными параметрами. На рис. 2a и 2b показаны интерференционные картины, получаемые при пересечении двух и трех пучков, соответственно. Как нетрудно заметить, размерность полученной периодической структуры при использовании N ≤ 4 пучков равняется (N-1). Таким образом, ПЛИГ с помощью изменения параметров оптической схемы, позволяет управлять как формой, так и размерностью получаемой структуры.
Благодаря простоте оптической схемы с помощью ПЛИГ можно создавать большое разнообразие структур поверхностей (линии, столбики, отверстия) и периодов их расположения (150 нм – 30 мкм, в зависимости от материала). Преимуществом ПЛИГ является то, что записываемая структура гомогенна на всей облучаемой поверхности. Таким образом, в зависимости от энергии импульса, может быть структурировано за один процесс несколько квадратных сантиметоров поверхности, так же, как и при прямой лазерной записи. В случае, когда область записи превышает диаметр лазерного пучка, применяются системы смещения образца, например трехкоординатные подвижки.
В технологии ПЛИГ могут использоваться лазеры с различными длинами волн от инфракрасного до ультрафиолетового излучения при условии, что длина когерентности лазерного излучения достаточно большая, и обрабатываемый материал поглощает излучение с данной длиной волны. Параметры интерференционной структуры для конкретного материала зависят от длительности лазерного импульса, длины волны и свойств обрабатываемого материала, таких как глубина поглощения и скорость термической диффузии. В зависимости от совокупности данных параметров, возможны различные механизмы абляции: фотохимическая, фототермическая или фотофизическая абляция. ПЛИГ была протестирована на многих различных материалах, таких как нержавеющая сталь (304, 304L, 316, 316L), сплавы титана, алюминия, твердые металлы, никель, хром, другие стали (например, 100Cr6) и неметаллические материалы: керамика, стекла, сапфир и различные полимеры (PET, PEEK, PC, PP, PS).
Благодаря тому, что интерференционное поле имеет объемную структуру, технология ПЛИГ также может быть использована для обработки 3D-объектов. В связи с тем, что ПЛИГ не требует дополнительных процессов пред– и постобработки, может работать при обычных условиях производства (чистых помещений не требуются), при этом позволяет записывать на поверхности различных материалов сложные защитные метки высокого разрешения, данная технология может быть легко интегрирована в существующие производственные линии.
Будучи бесконтактным методом обработки, ПЛИГ позволяет оптимально контролировать процесс модификации поверхности без нанесения дополнительного материала. Взаимодействие лазерного излучения с поверхностью имеет локальный характер, поэтому воздействие на область материала, находящегося под поверхностью, как правило, незначительно. Кроме того, технология ПЛИГ может быть использована в специальных условиях, например, под водой. Промышленное применение ПЛИГ возможно только в случае наличия компактной оптической головки и демонстрации работы метода в условиях промышленного производства. За последние несколько лет в Институте Фраунгофера IWS (Германия) разработаны три различные оптические головки [6] для интерференционной гравировки, предназначенные для гравировки как плоских, так и объемных объектов.
Одна из этих оптических головок, а именно головка 4-го поколения, была разработана специально для прецизионных применений. Она содержит в себе мобильные элементы, позволяющие автоматически контролировать угол между интерферирующими лучами. Принцип действия этой головки для ПЛИГ заключается в том, что, во‑первых, все пучки, используемые для создания интерференционного поля, фокусируются на образец для получения круглой точки диаметром от 25 до 300 мкм, что соответствует разрешению 1016 и 85 DPI (количество точек на дюйм), соответственно [6]. Интерференционное поле внутри каждой точки записывается на поверхности материала. Если изменять период интерференционного поля, изменится и характеристики поверхности, например цвет отраженного света при наблюдении поверхности под определенным углом. Это продемонстрировано на рис. 3, на котором приведено фото структурированной PET-фольги, обработанной наносекундным импульсным лазером TECH-263 (λ = 263 нм) серии ТЕХНОЛОГИЯ производства компании ЛАЗЕР-КОМПАКТ (Россия) с максимальной энергией импульса 50 мкДж. В данном примере использовались структуры с тремя различными периодами. В качестве еще одного примера возможностей ПЛИГ, на рис. 4 показано фото пластины из никеля, для обработки которой использовалась головка ПЛИГ четвертого поколения с импульсным лазером TECH-1053 (λ = 1053 нм) серии ТЕХНОЛОГИЯ.
Для получения поверхностных структур, показанных на рис. 3 и 4 потребовалась не только подвижка с высоким разрешением, но и специализированное программное обеспечение, позволяющее проводить обработку материала в полностью автоматическом режиме. Зрелость технологии ПЛИГ может быть продемонстрирована созданием прототипа системы, способного работать в производственных условиях. На рис.5 показан такой прототип. Это установка DLIP-μFAB, включающая в себя оптическую головку четвертого поколения, ИК- и УФ- лазеры, подвижки и программное обеспечение для автоматизации. Установка прошла тестирование в течение 500 часов работы в производственных условиях (без чистого помещения, без защитных газов, без контроля температуры комнаты). Программное обеспечение, также разработанное в IWS, позволяет автоматически контролировать лазер, оптическую головку и подвижки (рис. 5b). Система была классифицирована как лазер класса 1, на основе стандарта лазерной безопасности Германии (по TЬV).
К лазерам, применяемым в прецизионной технологии ПЛИГ, предъявляются жесткие требования. Во-первых, энергия импульса должна быть достаточно высокой для того, чтобы превысить порог абляции материала по всему диаметру пятна. Типичные значения энергии равняются 100—500 мкДж на длине волны 1 мкм и 10–50 мкДж на 0,26 мкм. Необходимо идевльное качество пучка – лазер должен быть одномодовым (TEM00). Для получения высокого контраста интерференционного поля длина когерентности лазерного излучения должна превышать 0,5 см на 1 мкм (0,15 см на 0,26 мкм). Для обеспечения высокой скорости процесса обработки необходима достаточно высокая частота повторений импульсов (1—5 кГц). Хорошая стабильность от импульса к импульсу также важна, потому, что она непосредственно влияет на качество записанной структуры. Габариты лазерного излучателя должны быть малы, так как необходимо, чтобы он помещался в оптическую голову системы. И, конечно, надо стремиться к тому, чтобы стоимость эксплуатации лазера была достаточно низкой, что означает низкую продажную стоимость лазера и его высокую надежность.
Лазеры серии ТЕХНОЛОГИЯ производства компании ЛАЗЕР-КОМПАКТ идеально соответствуют этим требованиям. Это – твердотельные лазеры с диодной накачкой, работающие в режиме активной модуляции добротности, которые используют кроме основной частоты также генераторы второй, третьей и четвертой гармоник. Лазеры серии ТЕХНОЛОГИЯ известны своей высокой стабильностью и надежностью. Компактные и мощные, лазеры этой серии являются новой альтернативой громоздким, сложным и дорогим мощным лазерам. На рис. 6 приведена фотография излучателя лазера ТЕХНОЛОГИЯ.
Выводы
Приведенные в статье результаты продемонстрировали высокий уровень готовности технологии ПЛИГ для внедрения в производство. Была создана компактная установка ПЛИГ, позволяющая получать высокое разрешение записываемых структур (голограммоподобные точки с разрешением до 1000 DPI), имеющая автоматизированный контроль периода и формы объектов записи. В установке использованы твердотельные лазеры высокой энергии серии ТЕХНОЛОГИЯ производства компании ЛАЗЕР-КОМПАКТ, излучение которых имеет достаточную длину когерентности для получения высококачественных интерференционных полей.
Благодарность
А. Лазани и Т. Роч благодарны фондам Bundesministerium fьr Bildung und Forschung (BMBF) и German Research Foundation (DFG) за финансовую помощь (Verbundfцrderprojekt "Laser Interference High Speed Surface Functionalization" (FKZ 13N13113) и Schwerpunktprogramm "Trockenumformen-Nachhaltige Production durch Trockenbearbeitung in der Umformtechnik" (SPP 1676)). Данную работу также спонсировал фонд Fraunhofer-Gesellschaft (Grant No. Attract 692174).
Литература
1. Favret E., Fuentes N.O. Characterization and tech. app. of bio-inspired surfaces.– World Scientific, 2009. P. Co.
2. Mьcklich F, Lasagni A., Daniel C. – International Journal of Materials Research, 2006, v.9, p.1337.
3. Schmidt V., Belegratis M. Laser Technology in Biomimetics: Springer Verlag, 2013.
4. Lasagni A., Yuan, D., Das S. – Adv. Eng. Mater., 2009, v.11, p. 408—411.
5. Lasagni A., Menйndez-Ormaza B. – Adv. Eng. Mater., 2010, v. 1–2, p.54.
6. Lasagni A., Roch T., Berger J., Kunze T., Lang V., Beyer E. Laser-based Micro – and Nanoprocessing IX.– Proc. of SPIE 935115–1, 2015.
1 Фраунгоферовский институт материалов и лучевых технологий IWS, Винтербергштрассе 28, 01277 Дрезден, Германия.
2 Институт технологий машиностроения, Дрезденский Технический университет, Георг-Баер-штрассе.1, 01069 Дрезден, Германия
3 ЛАЗЕР-КОМПАКТ, ООО "Лазер-экспорт", ул. Введенского 3, Москва, 117342, Россия
* ulyanov@laser-export.com
звестно, что некоторые поверхности с упорядоченной топографией демонстрируют улучшенные характеристики по сравнению с характеристиками поверхностей с хаотичной структурой. Примеры упорядоченной топографии, такие как периодичные поверхностные структуры, встречающиеся в природе у различных растений и животных, появились в результате многотысячелетнего процесса эволюции [1]. Таким образом, природа показала себя в качестве лучшего технолога по приспособлению видов к условиям окружающей среды с целью выживания.[1]
В настоящее время активно развивается область науки, связанная с попыткой рукотворного воспроизведения природных объектов. Лазерные технологии могут послужить средством технической реализации данной задачи, предоставляя при этом хороший экономический эффект [2, 3].
Одним из методов прецизионного нанесения периодических структур на поверхность материала за один процесс является прямая лазерная интерференционная гравировка (ПЛИГ) [4, 5]. Основа метода – это создание на поверхности материала интерференционного поля путем пересечения двух и более пучков когерентного излучения мощных импульсных лазеров, которое, при определенных условиях, приводит к возникновению субмикронных периодических структур на поверхности различных материалов. Такие поверхности потенциально интересны для промышленных, биофизических и медицинских применений. В качестве примера применения ПЛИГ можно назвать системы защиты от контрафактной продукции. ПЛИГ позволяет наносить защитные голографические метки на самые различные поверхности, которые практически невозможно подделать.
На рис.1 показана упрощенная оптическая схема экспериментальной установки ПЛИГ. Для формирования необходимых параметров пучка выходное излучение лазера проходит через фокусирующую линзу и маску. В зависимости от желаемой геометрии структуры, записываемой на поверхности, пучок после прохождения маски разделяется на два и более пучков (на рис.1 показан случай двух пучков). Далее система зеркал сводит разделенные пучки на поверхности материала под определенными углами падения [4]. В результате на поверхности материала создается интерференционная картина с заданными параметрами. На рис. 2a и 2b показаны интерференционные картины, получаемые при пересечении двух и трех пучков, соответственно. Как нетрудно заметить, размерность полученной периодической структуры при использовании N ≤ 4 пучков равняется (N-1). Таким образом, ПЛИГ с помощью изменения параметров оптической схемы, позволяет управлять как формой, так и размерностью получаемой структуры.
Благодаря простоте оптической схемы с помощью ПЛИГ можно создавать большое разнообразие структур поверхностей (линии, столбики, отверстия) и периодов их расположения (150 нм – 30 мкм, в зависимости от материала). Преимуществом ПЛИГ является то, что записываемая структура гомогенна на всей облучаемой поверхности. Таким образом, в зависимости от энергии импульса, может быть структурировано за один процесс несколько квадратных сантиметоров поверхности, так же, как и при прямой лазерной записи. В случае, когда область записи превышает диаметр лазерного пучка, применяются системы смещения образца, например трехкоординатные подвижки.
В технологии ПЛИГ могут использоваться лазеры с различными длинами волн от инфракрасного до ультрафиолетового излучения при условии, что длина когерентности лазерного излучения достаточно большая, и обрабатываемый материал поглощает излучение с данной длиной волны. Параметры интерференционной структуры для конкретного материала зависят от длительности лазерного импульса, длины волны и свойств обрабатываемого материала, таких как глубина поглощения и скорость термической диффузии. В зависимости от совокупности данных параметров, возможны различные механизмы абляции: фотохимическая, фототермическая или фотофизическая абляция. ПЛИГ была протестирована на многих различных материалах, таких как нержавеющая сталь (304, 304L, 316, 316L), сплавы титана, алюминия, твердые металлы, никель, хром, другие стали (например, 100Cr6) и неметаллические материалы: керамика, стекла, сапфир и различные полимеры (PET, PEEK, PC, PP, PS).
Благодаря тому, что интерференционное поле имеет объемную структуру, технология ПЛИГ также может быть использована для обработки 3D-объектов. В связи с тем, что ПЛИГ не требует дополнительных процессов пред– и постобработки, может работать при обычных условиях производства (чистых помещений не требуются), при этом позволяет записывать на поверхности различных материалов сложные защитные метки высокого разрешения, данная технология может быть легко интегрирована в существующие производственные линии.
Будучи бесконтактным методом обработки, ПЛИГ позволяет оптимально контролировать процесс модификации поверхности без нанесения дополнительного материала. Взаимодействие лазерного излучения с поверхностью имеет локальный характер, поэтому воздействие на область материала, находящегося под поверхностью, как правило, незначительно. Кроме того, технология ПЛИГ может быть использована в специальных условиях, например, под водой. Промышленное применение ПЛИГ возможно только в случае наличия компактной оптической головки и демонстрации работы метода в условиях промышленного производства. За последние несколько лет в Институте Фраунгофера IWS (Германия) разработаны три различные оптические головки [6] для интерференционной гравировки, предназначенные для гравировки как плоских, так и объемных объектов.
Одна из этих оптических головок, а именно головка 4-го поколения, была разработана специально для прецизионных применений. Она содержит в себе мобильные элементы, позволяющие автоматически контролировать угол между интерферирующими лучами. Принцип действия этой головки для ПЛИГ заключается в том, что, во‑первых, все пучки, используемые для создания интерференционного поля, фокусируются на образец для получения круглой точки диаметром от 25 до 300 мкм, что соответствует разрешению 1016 и 85 DPI (количество точек на дюйм), соответственно [6]. Интерференционное поле внутри каждой точки записывается на поверхности материала. Если изменять период интерференционного поля, изменится и характеристики поверхности, например цвет отраженного света при наблюдении поверхности под определенным углом. Это продемонстрировано на рис. 3, на котором приведено фото структурированной PET-фольги, обработанной наносекундным импульсным лазером TECH-263 (λ = 263 нм) серии ТЕХНОЛОГИЯ производства компании ЛАЗЕР-КОМПАКТ (Россия) с максимальной энергией импульса 50 мкДж. В данном примере использовались структуры с тремя различными периодами. В качестве еще одного примера возможностей ПЛИГ, на рис. 4 показано фото пластины из никеля, для обработки которой использовалась головка ПЛИГ четвертого поколения с импульсным лазером TECH-1053 (λ = 1053 нм) серии ТЕХНОЛОГИЯ.
Для получения поверхностных структур, показанных на рис. 3 и 4 потребовалась не только подвижка с высоким разрешением, но и специализированное программное обеспечение, позволяющее проводить обработку материала в полностью автоматическом режиме. Зрелость технологии ПЛИГ может быть продемонстрирована созданием прототипа системы, способного работать в производственных условиях. На рис.5 показан такой прототип. Это установка DLIP-μFAB, включающая в себя оптическую головку четвертого поколения, ИК- и УФ- лазеры, подвижки и программное обеспечение для автоматизации. Установка прошла тестирование в течение 500 часов работы в производственных условиях (без чистого помещения, без защитных газов, без контроля температуры комнаты). Программное обеспечение, также разработанное в IWS, позволяет автоматически контролировать лазер, оптическую головку и подвижки (рис. 5b). Система была классифицирована как лазер класса 1, на основе стандарта лазерной безопасности Германии (по TЬV).
К лазерам, применяемым в прецизионной технологии ПЛИГ, предъявляются жесткие требования. Во-первых, энергия импульса должна быть достаточно высокой для того, чтобы превысить порог абляции материала по всему диаметру пятна. Типичные значения энергии равняются 100—500 мкДж на длине волны 1 мкм и 10–50 мкДж на 0,26 мкм. Необходимо идевльное качество пучка – лазер должен быть одномодовым (TEM00). Для получения высокого контраста интерференционного поля длина когерентности лазерного излучения должна превышать 0,5 см на 1 мкм (0,15 см на 0,26 мкм). Для обеспечения высокой скорости процесса обработки необходима достаточно высокая частота повторений импульсов (1—5 кГц). Хорошая стабильность от импульса к импульсу также важна, потому, что она непосредственно влияет на качество записанной структуры. Габариты лазерного излучателя должны быть малы, так как необходимо, чтобы он помещался в оптическую голову системы. И, конечно, надо стремиться к тому, чтобы стоимость эксплуатации лазера была достаточно низкой, что означает низкую продажную стоимость лазера и его высокую надежность.
Лазеры серии ТЕХНОЛОГИЯ производства компании ЛАЗЕР-КОМПАКТ идеально соответствуют этим требованиям. Это – твердотельные лазеры с диодной накачкой, работающие в режиме активной модуляции добротности, которые используют кроме основной частоты также генераторы второй, третьей и четвертой гармоник. Лазеры серии ТЕХНОЛОГИЯ известны своей высокой стабильностью и надежностью. Компактные и мощные, лазеры этой серии являются новой альтернативой громоздким, сложным и дорогим мощным лазерам. На рис. 6 приведена фотография излучателя лазера ТЕХНОЛОГИЯ.
Выводы
Приведенные в статье результаты продемонстрировали высокий уровень готовности технологии ПЛИГ для внедрения в производство. Была создана компактная установка ПЛИГ, позволяющая получать высокое разрешение записываемых структур (голограммоподобные точки с разрешением до 1000 DPI), имеющая автоматизированный контроль периода и формы объектов записи. В установке использованы твердотельные лазеры высокой энергии серии ТЕХНОЛОГИЯ производства компании ЛАЗЕР-КОМПАКТ, излучение которых имеет достаточную длину когерентности для получения высококачественных интерференционных полей.
Благодарность
А. Лазани и Т. Роч благодарны фондам Bundesministerium fьr Bildung und Forschung (BMBF) и German Research Foundation (DFG) за финансовую помощь (Verbundfцrderprojekt "Laser Interference High Speed Surface Functionalization" (FKZ 13N13113) и Schwerpunktprogramm "Trockenumformen-Nachhaltige Production durch Trockenbearbeitung in der Umformtechnik" (SPP 1676)). Данную работу также спонсировал фонд Fraunhofer-Gesellschaft (Grant No. Attract 692174).
Литература
1. Favret E., Fuentes N.O. Characterization and tech. app. of bio-inspired surfaces.– World Scientific, 2009. P. Co.
2. Mьcklich F, Lasagni A., Daniel C. – International Journal of Materials Research, 2006, v.9, p.1337.
3. Schmidt V., Belegratis M. Laser Technology in Biomimetics: Springer Verlag, 2013.
4. Lasagni A., Yuan, D., Das S. – Adv. Eng. Mater., 2009, v.11, p. 408—411.
5. Lasagni A., Menйndez-Ormaza B. – Adv. Eng. Mater., 2010, v. 1–2, p.54.
6. Lasagni A., Roch T., Berger J., Kunze T., Lang V., Beyer E. Laser-based Micro – and Nanoprocessing IX.– Proc. of SPIE 935115–1, 2015.
1 Фраунгоферовский институт материалов и лучевых технологий IWS, Винтербергштрассе 28, 01277 Дрезден, Германия.
2 Институт технологий машиностроения, Дрезденский Технический университет, Георг-Баер-штрассе.1, 01069 Дрезден, Германия
3 ЛАЗЕР-КОМПАКТ, ООО "Лазер-экспорт", ул. Введенского 3, Москва, 117342, Россия
* ulyanov@laser-export.com
Отзывы читателей
