Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. обзор литературы 11
1.1 Основные физические процессы, возникающие при взаимодествии лазерного излучения с веществом 11
1.2 Требования к лазерам, применяемым для обработки материалов 17
1.3 Лазерная абляция 18
1.4 Лазерная абляция полимерных материалов 19
1.4.1 Плавление полимеров 22
1.4.2 Термическая деструкция ПММА 24
1.4.3 Сгорание полимеров с выбросом сажи 27
1.5 Лазерная абляция тонких металлизированных пленок 27
1.6 Выводы по главе 1 29
ГЛАВА 2. Объекты и методы исследования 31
2.1 Материалы, на которых проводилась абляция 31
2.2 Формирование элементов. Принцип работы лазерного гравера Laser Graver LG 10F15 ... 31
2.3 Технология измерения элементов 34
2.4 Фотометрирование 35
2.5 ТГц спектроскопия 35
2.6. Выводы по главе 2 36
ГЛАВА 3. Технология лазерной абляции полимерных материалов на лазерном гравере 37
3.1 Исследование зависимости профиля прожигаемой канавки от направления хода луча лазерного гравера 37
3.2 Исследование лазерной абляции различных полимерных материалов 40
3.2.1 Лазерная абляция полиэтилена 40
3.2.2 Лазерная абляция резины 42
3.2.3 Лазерная абляция термочувствительной пленки ПБМА 43
3.2.4 Лазерная абляция тонких металлизированных пленок 47
3.3 Выводы по главе 3 48
ГЛАВА 4. Практическое применение лазерной абляции полимерных материалов 50
4.1 Получение микропризменных растров с помощью лазерного гравера 50
4.1.1 Микропризменные растры для защищенной печати 50
4.1.2 Изготовление микропризменного растра методом лазерной абляции полимерных пленок 53
4.2 Получение микролинзовых растров с помощью лазерного гравера 57
4.2.1 Микролинзовые растры для формирования плавающих изображений 57
4.2.2 Изготовление мастер-матрицы микролинзового растра методом лазерной абляции резины 58
4.2.3 Моушен-эффект, полученный с использованием микролинзового растра 60
4.3 Гомогенизатор лазерного излучения 62
4.3.1 Интегратор Келера 63
4.3.2 Получение гомогенизаторов лазерного излучения с помощью абляции термочувствительной пленки 65
4.3.3Лазерный генератор линии на базе нерегулярного диффузора 68
4.4 ИК и Терагерцовые элементы 74
4.4.1 Поляризаторы 76
3
4.4.2 Изготовление поляризатора терагерцового диапазон длин волн методом лазерной абляции алюминированной пленки 77
4.4.3 Полосовой фильтр терагерцового диапазона частот 78
4.5 Выводы по главе 4 80
Заключение 82
Список литературы
- Требования к лазерам, применяемым для обработки материалов
- Формирование элементов. Принцип работы лазерного гравера Laser Graver LG 10F15
- Лазерная абляция термочувствительной пленки ПБМА
- Изготовление мастер-матрицы микролинзового растра методом лазерной абляции резины
Требования к лазерам, применяемым для обработки материалов
Если проделать вычисления для различных материалов и различных типов лазеров, обычно используемых для промышленных применений, получим значения порогового уровня мощности импульсного режима порядка 1000 Вт, а в непрерывном режиме — сотни Вт. Это позволяет заключить, что необходимый уровень мощности излучения при лазерной обработке должен составлять около 1 кВт. При этом сам по себе режим генерации (непрерывный, импульсный, импульсно периодический) не столь важен, поскольку он определяет только тип выполняемой лазером технологической операции (сверление, резку, скрайбирование и т. д.), но не значение требуемой мощности излучения. [1]
Под лазерной абляцией в широком смысле слова понимается любое удаление массы с поверхности твердого тела. В физике твердых тел лазерная абляция — это удаление (испарение) макроскопического количества материала с поверхности под действием лазерного излучения. Лазерная абляция может быть реализована различными механизмами: в первую очередь это — механизм испарения; механизм термоупругого разрушения; механизм развития ударной волны; фотодинамический механизм; фотохимический механизм и т.д. При низкой мощности лазера вещество испаряется или сублимируется, а при высокой — происходит ионизация атомов вещества — образуется плазма. Частично природа абляционных процессов зависит от типа материала, но более сильное влияние оказывают характеристики лазерного излучения: интенсивность, длительность импульса, длина волны, число импульсов и т.п. [3]
Современные технологии позволяют достаточно точно контролировать фокусировку, длительность (в диапазоне от нано - до фемтосекунд) и мощность воздействия лазерного луча. Это открывает широкие возможности для применения процесса лазерной абляции в промышленности и научных исследованиях. [4].
В последние годы импульсная лазерная абляция различных материалов привлекает все больший интерес как с точки зрения фундаментальных исследований процессов в веществе в экстремальных условиях сверхбыстрого подвода энергии, так и развития всевозможных технологических приложений [5-7]. Высокие скорости нагрева и охлаждения, возможность сканирования сфокусированного излучения, как по поверхности, так и в объеме позволяют проводить определенные операции обработки на воздухе. Термохимические процессы, развивающиеся при этом в паровой фазе, в определенных режимах облучения могут оказать существенное влияние на результат лазерной абляции. Большое внимание уделяется лазерной абляции полимерных материалов. Далеко не полный перечень применений импульсно лазерной абляции полимерных материалов включает напыление тонких полимерных покрытий, создание лазерных двигателей малой тяги, производство микродеталей и миниатюрных линз [8-10].
1.4 Лазерная абляция полимерных материалов
Лазерная абляция является одним из основных методов деструкции полимеров под действием лазерного излучения. Ей посвящена обширная литература, но лазерная абляция полимеров лучше всего рассмотрена в двух взаимодополняющих обзорах [11, 12]. Изложим основные сведения по лазерной абляции полимеров.
Прежде всего, нужно отметить, что в публикациях термин «лазерная абляция» трактуется по-разному. Связано это со сложностью процессов, происходящих при воздействии лазерного излучения на полимер: одновременно происходят процессы термической, термоокислительной и/или механической деструкции, в результате чего происходит испарение фрагментов макромолекул (вплоть до олигомеров), а в некоторых случаях наблюдается и отрыв частиц полимера и наполнителя газовой или плазменной струей. Кроме того, абляция вещества сопровождается большим числом сопутствующих эффектов: конденсацией пара, диспергированием жидкой фазы и т.д.
В настоящее время под лазерной абляцией подразумевается процесс разрушения твердого вещества, аналогичный испарению или сублимации, обычно осложненный наличием конденсированной фазы в продуктах разрушения. При этом можно выделить три отличительные черты этого процесса: абляция непосредственно связана с поглощением лазерного излучения в материале; абляция может протекать в вакууме или инертной среде; результатом лазерной абляции является формирование парогазового (пароплазменного) облака продуктов этого процесса.
В силу первого ограничения к лазерной абляции не относятся процессы, связанные с механическим разрушением вещества под действием ударной волны, возбуждаемой лазером во внешней среде — в газе или жидкости. Это ограничение относится и к процессам лазерного травления вещества при оптическом пробое внешней среды. Второе ограничение исключает процессы химического травления, стимулированного лазерным воздействием [13]. Третье ограничение не позволяет отнести к лазерной абляции, рассмотренные выше процессы механического разрушения, происходящие при непосредственном поглощении энергии в разрушаемом материале, в тех случаях, когда продукты разрушения не образуют парового облака.
Энергетическая эффективность лазерной абляции полимерных материалов зависит от количества поглощенной энергии при определенной плотности. В инфракрасном, видимом и ближнем ультрафиолетовых диапазонах частот поглощение излучения описывается законом Бугера—Ламберта (13):
Формирование элементов. Принцип работы лазерного гравера Laser Graver LG 10F15
Для создания изображения материал фиксируют на барабане машины посредством липкой ленты. Барабан вращается с частотой вращения от 1 до 36 оборотов в секунду. Инфракрасный лазерный луч мощностью от 1 до 15 Вт при разрешении 10160 dpi фокусируется на поверхности маскированного слоя в круглое пятно диаметром 2,5 мкм. В результате материал масочного слоя в области фокусировки пятна мгновенно нагревается, что приводит к его полному удалению. Таким образом, формируется изображение на обрабатываемом материале.
В процессе обработки для создания изображения реализуется двухмерная развертка с модуляцией лазерного излучения в соответствии с компьютерным файлом изображения. Одна координата направлена вдоль окружности барабана, другая вдоль оси барабана Диаметр светового пучка лазерного излучения примерно равен его осевому смещению за один оборот барабана, что обеспечивает частичное перекрытие отдельных витков (называемых строками). Это позволяет сформировать окна с полностью снятым поверхностным слоем, так же как и заданное распределение точек изображения. При формировании изображения лазерный луч подается либо не подается на материал синхронно с вращением барабана и осевым перемещением луча в соответствии с выводимым изображением. Изображение формируется построчно, подобно изображению на экране телевизора. Наименьший элемент линии называется пикселем (pixel). Размер пикселя зависит от выбранного разрешения. Для наиболее часто используемого разрешения 10160 dpi размер пикселя составляет 2,5 мкм. Белый пиксель выжигается, черный не выжигается. Управление лазерным излучением (включение/выключение) реализуется с помощью акустооптического модулятора. Шаг строк также соответствует размеру пикселя. При записи пикселя лазерный луч может быть подан на материал (пиксель выжигается), либо не подан (поверхностный слой остается нетронутым). При подготовке данных с помощью программного растрового процессора на главном компьютере черные и белые пиксели в виде квадратных ячеек формируют структуру строк и столбцов, которая называется цифровым растровым изображением или цифровой пленкой. Технические характеристики лазерного гравера представлены в таблице 1.
Микрофотографии поверхности элементов получены с помощью измерительного микроскопа OLYMPUS серии STM6. Основное преимущество измерительного микроскопа — бесконтактный метод измерения, то есть отсутствие механического воздействия на исследуемую деталь. Кроме того, сохраненные данные измерения могут быть переданы в персональный компьютер (ПК) и обработаны при помощи обычно используемого программного обеспечения [34].
Визуальная оценка, измерения и фотографирование высоты неровностей тонкообработанных поверхностей проводились на микроинтерферометре Линника МИИ-4. Принцип действия прибора основан на явлении интерференции света. Для получения двух систем волн, способных интерферировать, пользуются разделением светового пучка (исходящего из одной точки источника света) на наклонной плоскопараллельной пластинке с полупрозрачным делительным покрытием. В результате интерференции двух систем волн в фокальной плоскости окуляра наблюдаются интерференционные полосы. В поле зрения микроинтерферометра наблюдаются одновременно интерференционные полосы и исследуемая поверхность. Перемещение исследуемой поверхности вверх или вниз не какую-нибудь малую величину вызывает изменение хода лучей на двойную величину перемещения поверхности, так как свет проходит это расстояние дважды. Изменение хода лучей в одной ветви прибора вызывает изменение разности хода интерферирующих лучей, в результате чего полосы в поле зрения смещаются. Если на исследуемой поверхности имеется бугор или впадина, то в этом месте имеется разность хода и, следовательно, полосы смещаются.
Спектры пропускания в терагерцовой области частот снимались в сотрудничестве с МГУ им. Ломоносова, лаборатория проф. А.П. Шкуринова. Измерения проводились в типичном импульсном ТГц спектрометре [35], использующем фемтосекундное излучение титан — сапфирового лазера. Комбинация фемтосекундного лазера, преобразователя в терагерцовый импульс (в данном случае поверхность GaAs [36]), детектора ТГИ (в данном случае ZnTe) и линии задержки образует импульсный ТГц спектрометр. Основная часть лазерного излучения преобразуется в «преобразователе» в терагерцовое, малая часть лазерного излучения (пробный луч) проходит через линию задержки и используется для целей регистрации ТГИ в детекторе. В эксперименте измеряется поле ТГц импульса в моменты времени, определяемые задержкой между терагерцовым и пробным оптическим импульсом. Каждое измеренное значение – усреднение результата взаимодействий от множества одинаковых пар импульсов (ТГц и пробный лазерный) при фиксированной задержке во времени между ними. 2.6. Выводы по главе 2
В главе 2 рассмотрено использование серийного широко распространенного оборудования, на котором формировались микрооптические поверхности. Для анализа полученных элементов структур использовалась различная техника: измерительный микроскоп OLYMPUS серии STM6, микроинтерферометр Линника МИИ-4, импульсный ТГц спектрометр, фотометр.
Лазерная абляция термочувствительной пленки ПБМА
В данной схеме пленка толщиной 24 мкм имеет на одной стороне микролинзовый растр, а на другой — микронные изображения. Мнимое изображение формируется за пленкой. При изменении точки наблюдения (или изменение угла наблюдения) становятся видимыми различные части микроизображения, а поскольку видимое изображение оказывается увеличенным и синтезированным из многих элементарных изображений, наблюдается эффект его «движения» [51].
Следовательно, для получения «плавающих» изображений необходимо формирование мнимого изображения при использовании микропроекции на базе матрицы микролинз, подобно способу рассмотренному выше.
Микролинзовый растр, предназначенный для создания моушен-эффекта (эффект плавающего изображения), должен иметь высокую плотность заполнения, то есть минимальное расстояние между микролинзами, и высокую степень повторяемости фокусного расстояния микролинз в решетке. Исходя из этих требований, для создания решеток был использован эффект деформации поликарбонатной пленки вблизи температуры плавления. Схематично процесс представлен на рисунке 24
Процесс формирования поверхностей микролинзового растра основан на течении термопластичной поликарбонатной пленки при температуре ее размягчения. Для формирования требуемой структуры с заданным расположением микролинз методом лазерного абляции со скоростью 1,5 м/с был сформирован растр из глубоких колодцев на черной резине (рисунок 3). Диаметр колодцев задает желаемый диаметр микролинз, а их шаг – период линз в решетке. Глубина колодцев должна быть максимальной для возможности глубокого формования пленки. В данном случае использована глубина 150 мкм при диаметре линз 250 мкм. На поверхность обработанной резины накладывалась поликарбонатная пленка (рисунок 24 (а)), которая прижималась к резине толстым стеклом 1. Весь агрегат предварительно, до укладки пленки, нагревается до заданной температуры (190С). После укладки пленка прогибалась в колодцы (рисунок 24 (б)) и формировалась решетка полусфер. В зависимости от температуры и времени формования возможно получение полусфер различной глубины.
После окончания процесса и охлаждения пленка снималась с пуансона. Полученная пленка покрывалась антиадгезионным слоем и с нее снималась копия на фотополимере путем заливки жидким фотополимером с последующим фотоотверждением. В результате был получен микролинзовый растр (рисунок 25) [52].
Микролинзовый растр, полученный вышеописанным способом, прикладывается к бумаге, на которой методом высокой печати нанесены цветные микроизображения, в данном случае — круги, соответствующие размеру и периоду микролинз (рисунок 26).
Фотографии моушен-эффекта на микролинзах диаметром 250 мкм с использованием точечного растра показаны на рисунке 27. Параметры линз: диаметр 250 мкм, шаг в решетке 290 мкм, фокус 1200 мкм.
На рисунке 27 показано синтезированное изображение, полученное от многих линз в решетке. Видимое увеличение определяется расстоянием между бумагой и микролинзовым растром и может варьироваться в широких пределах. Размеры матриц микролинзового растра, выполненного данным способом в лаборатории, ограничиваются размерами материала, обрабатываемого на лазерном гравере, что составляет 200200 мм. Такие размеры достаточны для всех практических применений. В настоящее время были получены образцы линзовых растров с диаметром линз 250 мкм и шагом 250 мкм и 290 мкм. Длина фокуса составила 0,5 мм и 1, 2 мм соответственно в зависимости от времени термообработки.
Тем же методом был получен растр из цилиндрических линз. В этом случае на резиновой матрице вместо колодцев нарезались щели заданной ширины и шага в решетке. Термически индуцированное продавливание полимерной пленки в щели приводило к образованию периодической структуры цилиндрических линз, которые копировались на фотополимер вышеуказанным способом.
Гомогенизация — это создание устойчивой во времени однородной (гомогенной) структуры. Если распределение освещенности не достаточно равномерно, то используют дополнительные оптические элементы — гомогенизаторы, нужным образом перемешивающие излучение. Гомогенизатор — это оптическая поверхность, на которой регулярно с неким периодом (или хаотически) расположены элементарные рассеиватели: микролинзы, микрозеркала, дифракционные элементы и другие. В качестве гомогенизаторов обычно используют разные светорассеивающие элементы: фацетированные зеркала, микролинзовые матрицы, хаотические фазовые экраны и другие. Светорассеивающие элементы широко используются и в традиционной оптике.
Гомогенизация лазерного излучения и формирование пучка являются ключевыми технологиями для многих современных приложений. Прежде всего, те лазерные технологии, у которых изображение образца маски требуют равномерного распределения интенсивности излучения по всей площади маски и, следовательно, на всей плоскости обработки [53]. Другие приложения требуют однородную тонкую линию лазера; гомогенизируют только одно направление пучка.
Формирование луча с дифракционными оптическими элементами представляет очень изящный и мощный метод для генерации произвольных моделей облучения [54]. Эти элементы, как правило, рассчитаны на определенную длину волны и фазовую функцию. Тем не менее, периодические структуры создают интерференционные эффекты, особенно с использованием высоко когерентного света. Успешная гомогенизация с этими элементами может быть достигнута с учетом физической оптики [55] и в некоторых случаях с использованием дополнительных элементов, таких как случайные диффузоры. Одномерные нерегулярные диффузоры состоят из произвольных и статистически размещенных диффундирующих элементов и представляют собой маску щелей фиксированной ширины, статистически расположенных на подложке [56]. Такие диффузоры эффективны для улучшения однородности линии.
В 1893 году Август Келер из корпорации Carl Zeiss представил новый революционный метод равномерного освещения образца в оптическом микроскопе [57]. Метод Келера позволяет корректировать размер и численную апертуру освещенности объекта под микроскопом независимо друг от друга и обеспечивает равномерную освещенность плоскости объекта независимо от формы, расширения и углового поля источника света. Дальнейшее улучшение освещенности (гомогенизация) достигается с помощью интегратора Келера, как показано на рисунке 28. Интегратор Келера состоит из двух массивов линз и конденсора, формирующего встречно направленные многократные системы освещения Келера [58]. Первый массив линз (LA1) разделяет падающий свет и создает несколько изображений источников света в плоскости отверстия. Первый массив линз (LA1) также служит множеством диафрагм поля, определяющих освещенную область в плоскости объекта.
Второй массив линз (LA2) находится в плоскости апертуры и представляет собой множество диафрагм. Линзы второго массива (LA2) и конденсор создают изображение отдельных диафрагм поля в плоскости объекта. Четкие изображения нити накала появляются в плоскости зрачка объектива. Это обеспечивает равномерное освещение, как объекта, так и плоскости изображения. В плоскости объекта реальные изображения первого массива линз LA1 накладываются. Если предположить, что свет освещенности примерно равномерен в течение каждого суб-отверстия LA1 или что излучение падающего света является симметричным, суперпозиция всех изображений обеспечивает равномерное распределение интенсивности в плоскости объекта. Увеличение числа линз позволяет улучшить однородность распределения интенсивности. Тем не менее, если линзы становятся слишком малы, дифракционные эффекты значительно исказят однородность.
Классические интеграторы Келера были построены на организации отдельных линз в матрицу. Наряду с жесткими допусками производства для отдельных микролинз и возможными перекосами в массиве, относительно высокая стоимость для монтажа является основным недостатком. Сегодня, высококачественные массивы микролинз произведены при помощи пластин на основе таких процессов, как фотолитография, реактивно-ионное травление стекла или литье, испарением - абляцией кварцевого стекла [59]. Проблема этих процессов — оптимизация профиля линзы, который важен для качества гомогенизации.
В диссертационной работе были исследованы и получены такие элементы методом прямой лазерной абляции пленки ПБМА YAG-Nd лазерным лучом с = 1,06 мкм, скоростью сканирования 7 м/с и разрешением 10160 dpi, что ранее не было рассмотрено.
Изготовление мастер-матрицы микролинзового растра методом лазерной абляции резины
Оптическая схема генератора линии, рассматриваемого в данной работе, приведена на рисунке 34. В схеме использована отрицательная линза, обеспечивающая нужную величину расходимости в вертикальной плоскости на уровне 10 угловых минут, далее устанавливается решетка, которая расширяет пучок в горизонтальной плоскости до 40 градусов, не изменяя ширину индикатрисы в вертикальной плоскости.
В приведенном примере лазерный луч с Гауссовым распределением интенсивности и диаметром 1 мм преобразуется в линию шириной 40 градусов в горизонтальной плоскости и 10 минут в вертикальной плоскости.
Рассмотрим подробнее конструкцию подобного элемента. Концепция исследуемого элемента основана на том факте, что лазерный луч монохроматический и, следовательно, необходимое расширение луча может быть выполнено посредством дифракционной решетки, имеющей неравномерное распределение дифракционных порядков, при котором высшие порядки значительно больше по интенсивности, по сравнению с 1-ми, 2-ми. Это легко выполняется на дифракционной решетке, высота штрихов которой существенно больше половины длины волны, а профиль штриха — треугольный, причем угол треугольника в сечении такой, что преломление света происходит в направлении углов +/- 20 градусов, что обеспечивает требуемое повышение энергии в области высших порядков.
Рассмотренный элемент формирует пучок в виде узкой линии, высота в вертикальной плоскости которой определяется использованной отрицательной линзой и естественной расходимостью лазерного луча. Длина линии в горизонтальной плоскости определяется углами дифракции решетки и составляет ±20 по полуширине.
Элемент универсален и имеет близкие характеристики для зеленого, желтого и красного диапазонов спектра, поскольку подъем интенсивности в области углов ±20 определяется преломлением света на треугольном штрихе.
Фотография линии, сформированной периодической решеткой Недостатком простой конструкции на базе одиночной дифракционной решетки постоянного периода являются четко видимые дифракционные максимумы в линии (рисунок 35), что создает значительную неравномерность распределения света по длине линии [63].
Наличие четких дифракционных порядков является принципиальным недостатком расщепителей, основанных на дифракционных решетках, и может быть преодолено только при изготовлении решетки со сбитым периодом (нерегулярный диффузор).
Действительно, если наложить друг на друга дифракционные решетки с различным периодом, можно получить взаимное наложение дифракционных порядков, что приведет к повышению однородности интенсивности в линии. Обычно решетки с переменным периодом изготавливают с помощью делительных машин, которые не позволяют задавать переменные периоды, однако в нашем случае применение лазерного гравера с компьютерным управлением позволяет обойти это ограничение и задавать любой период кратный одному пикселю гравера (2,5 мкм).
В работе была получена такая решетка с чередованием областей с различным периодом штрихов. Решетка образована периодически повторяющимися элементами, в каждом из которых полоски идут с переменным периодом, например: 10; 12,5; 15 мкм, далее повторяется. При этом решетка со сбитым периодом по причине непостоянства шага нарезки не дает четко видимых дифракционных порядков, и линия становится более однородной по длине.
Похожие диссертации на Создание пленочной микрооптики методом лазерной абляции полимерных материалов
