CC BY
148
УДК 66.088:681.7.02
НАУЧНЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ ЛАЗЕРНОЙ ПОЛИРОВКИ СТЕКЛА
Дмитрий Владимирович Чесноков
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой наносистем и оптотехники, тел. (383)343-29-29, e-mail: phys003@list.ru
Екатерина Васильевна Шапран
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант, инженер кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)343-91-11, e-mail: katerina.darkness@ya.ru
Рассмотрены научные и технические аспекты развития методов лазерной полировки стекла и проведён сравнительный анализ современных методов лазерной полировки.
Ключевые слова: лазерная полировка, размягчение стекла, шероховатость поверхности, оптические элементы, абляция.
SCIENTIFIC AND TECHNICAL ASPECTS OF THE DEVELOPMENT OF LASER GLASS POLISHING TECHNIQUES
Dmitry V. Chesnokov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Associated Professor, Chair of Nanosystems and Optical Engineering Department, tel. (383)343-29-29, e-mail: phys003@list.ru
Ekaterina V. Shapran
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., aspirant, engineer of Nanosystems and Optical Engineering Department, tel. (383)343-91-11, e-mail: katerina.darkness@ya.ru
The scientific and technical aspects of the development of laser glass polishing techniques handled and a comparative analysis of modern laser polishing methods provided.
Key words: laser polishing, glass softening, surface roughness, optical elements, ablation.
Шероховатость поверхности изделия сильно влияет на его свойства и функции - устойчивость к коррозии и истиранию, трибологические свойства, оптические свойства, тактильную чувствительность, а также визуальное впечатление. В промышленном производстве методики шлифовки и полировки широко используются для снижения шероховатости поверхностей.
Современный уровень промышленного производства оптических компонент, основанный на получении гладких поверхностей с использованием полирующих порошков, паст и суспензий, обеспечивает шероховатость оптической поверхности порядка 0,1...0,2 длины волны; в лабораторных условиях с ис-
пользованием уникальных и трудоёмких методов на единичных образцах получают до 0,01 длины волны.
Поиск воспроизводимых методик полирования оптических поверхностей до уровня шероховатости порядка единиц нанометров ведётся. Так, в работе [1] представлены результаты исследования метода ионно-лучевого полирования подложек, особенности которого заключаются в преимущественном осаждении во впадины исходного рельефа поверхности слоя наноразмерной толщины посредством распыления ионами кислорода мишени из одинаковым с образцом материала и ионного ассистирования процессу осаждения; циклы «осаждение -распыление» должны повторятся. На подложках на участках поверхности площадью 2,5^2,5 мкм максимальная высота выступов не превышала 0,8 нм. Длительность полирования составляла десятки минут.
Предлагается для реализации ионной полировки подложек использовать пучки кластерных ионов, которые получаются в специальных ионных ускорителях и которые потенциально способны реализовывать в режиме ионного ассистирования ионную полировку поверхностей подложек до шероховатости порядка 0,2...0,5 нм при исходной шероховатости поверхности порядка 1...2 нм. [2]. Методы ионной полировки, как можно судить по известным публикациям, не обеспечивают необходимой для масштабного производства оптических изделий производительности.
В сравнении с традиционными методами полировки стекла, лазерный луч - это гибкий и быстрый полирующий инструмент. С помощью лазерного излучения можно обработать поверхность стекла в очень короткое время. При начальной величине параметра шероховатости 600 нм можно всего за один цикл (этап) добиться уменьшения шероховатости до величины менее чем 10 нм. Кроме того, появляется возможность преодолеть ограничения, имеющиеся у традиционных методов механической полировки.
Лазерные методы, разработка которых ведется в мире весьма интенсивно [3-37], обеспечивают прецизионное дозирование воздействия на поверхность без механического соприкосновения с ней, обрабатывающим инструментом является поток излучения, что существенно упрощает проблемы обеспечения виброустойчивости при обработках сверхплоских поверхностей. Также лазерная обработка пригодна для обработки изделий из хрупких материалов. Технологии лазерной полировки позволяют производить полировку поверхностей разнообразной геометрической формы, в том числе и асферических поверхностей; предоставляют возможность селективной полировки на выбранном участке поверхности; исключают использование каких-либо полирующих растворов и паст.
Существуют три основных варианта процесса лазерной полировки:
- абляция больших областей поверхности;
- абляция локальных участков поверхности;
- полировка методом переплавки поверхностного слоя материала.
При полировке методом абляции больших областей поверхности материал испаряется по всей поверхности. Таким образом, сглаживание достигается за счет повышенной абляции пиков поверхности и снижения абляции в долинах. Для того чтобы обеспечить наиболее активное удаление материала, лазерная полировка осуществляется с углом падения до 85° с нормалью к поверхности. Дальнейшее уменьшение шероховатости может достигаться путем вращения образца во время обработки.
Рис. 1. Схематическое представление различных вариантов процесса
лазерной полировки
Абляция локальных участков поверхности основана на контролируемой абляции пиков поверхности при помощи импульсного лазерного излучения. Для того чтобы найти положение пиков профиля поверхности, требуется сложная и дорогостоящая измерительная система.
При полировке с помощью переплавки расплавляется тонкий поверхностный слой и поверхностное натяжение приводит к выравниванию материала. Испарения следует избегать, так как в противном случае материал будет удалён и образуется вмятина. Но температура должна быть достаточно высокой для того, что обеспечить эффективный отток материала от вершин до долин. Таким образом, поверхность должна быть нагрета немного ниже температуры испарения.
В процессе лазерной полировки температура является главным фактором. Вязкость, испарение и натяжение материала зависят от этой величины. Поэтому измерение и контроль температуры являются критичными.
Для того, чтобы избежать трещин может быть необходим предварительный нагрев образца, особенно для стекла с высоким коэффициентом теплового расширения. Для получения хороших результатов полировки, однородное предварительное нагревание является обязательным условием.
Чтобы свести к минимуму возникновение высоких поперечных температурных градиентов на стеклянной поверхности необходимо равномерное распределение интенсивности лазерного луча. Такое распределение обычно получают с помощью подходящей системы интеграции.
Как правило, лазерная обработка поверхности требует приложения большого количества энергии к поверхности и контролируемого и настраиваемого распределения интенсивности пучка на образце поверхности.
На рис. 2, а показан типичный экспериментальный стенд [8] для проведения исследований процессов лазерной полировки. Это портальная система, в которой лазерный луч управляется сочетанием различных зеркал и сканирующих систем. Сканаторы позволяют перемещать луч с максимальной скоростью 3 м/с. В комбинации со специальной системой управления лучом это позволяет вести обработку так называемой «полирующей линией» (далее - ПЛ, рис. 1, с). Для получения равномерной поверхности всего элемента площадью 25х25 мм производится сканирование ПЛ с помощью перемещения по 2-й координате.
Рис. 2. (а) Схема экспериментального стенда; (Ь) Диапазон параметров полировки; (с) образец кварцевого стекла в процессе полировки
В работе [10] приведены значения шероховатости поверхности до и после лазерной обработки.
Таблица
Результаты лазерной полировки для различных типов стекла
Тип стекла Шероховатость до лазерной обработки Шероховатость после лазерной обработки
Свинцовое стекло 13,3 ц 2,5 ц m
Кварцевое стекло 2 ц m 50 пта
150 nm 10 пт
ТЯС-33 500 nm 1 пт
Из данных таблицы следует, что методы лазерной полировки стекла являются достаточно эффективными, и не уступают в эффективности механическим методам полировки. При этом методы лазерной полировки лишены многих недостатков, присутствующих у механических методов. Следовательно, разработка методов лазерной полировки является актуальной задачей.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Стогний Ф. И., Новицкий Н. Н., Стукалов О. М. Ионно-лучевое полирование нано-размерного рельефа поверхности оптических материалов. Письма в ЖТФ, 2002, том 28, вып. 1.
2. Черныш В. С., Ермаков Ю. А., Иешкин А. Е. Пучки кластерных ионов - новый инструментарий современной физики. Совместная лаборатория «Ионно-пучковые нанотехноло-гии» Физический факультет МГУ, НИИЯФ МГУ и ОАО «ТЕНЗОР», Москва, 2013 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.opf.nsu.ru/ru/content/сектор-ионно-кластерных-технологий.
3. Laguarta F., Lupon N., Armengol J. Optical glass polishing by controlled laser surface-heat treatment // Appl. Optics. - 1994. - Vol. 33, No. 27. - P.6508-6513.
4. Vega F., Lupon N., Armengol J., Laguarta F. Laser application for optical glass polishing // Opt. Eng. - 1998. - Vol. 37, No. 1. - P. 272-279.
5. Wang H. et al Laser Polishing of Silica Rods // Proceedings of the Ninth Solid Freeform Fabrication (SFF) Symposium. - 1998. - P. 37-45.
6. Vega F., Armengol J., Lupon N., Laguarta F. Study of Surface Dynamics during Laser Polishing of Glass // Proceedings of the EUROPTO Conference on Computer-Controlled Microshaping. -1999. - P. 92-102.
7. Richman A., Willenborg E., Wissenbach K. Laser polishing of fused silica // Proceedings of the Fifth International WLT-Conference on Lasers in Manufacturing. - 2009. - P. 699-702.
8. Hildebrand J. et al. Laser Beam Polishing of Quartz Glass Surfaces // Physics Procedia. -2011. - Vol. 12. - P. 452-461.
9. Temmler A., Willenborg E., Wissenbach K. Design Surfaces by Laser Remelting // Physics Procedia. - 2011. - Vol. 12. - P. 419-430.
10. Wissenbach K. Tailored Light 2. Fraunhofer-Institut für Lasertechnik, Aachen, Germany,
2011.
11. Chow M., Bordatchev E.V., Knopf G.K. Impact of initial surface parameters on the final quality of laser micropolished surfaces // Proceedings of SPIE. - 2012. - Vol. 8248.
12. Fraunhofer ILT - Laser Polishing of Glass and Plastics (2012) [Electronic resource] -Англ. - Режим доступа: http://www.ilt.fraunhofer.de/en/media-center/brochures/brochure-Polishing-with-Laser-Radiation.html
13. Martinez S., Lamikiz A., Tabernero I., Ukar E. Laser Hardening Process with 2D Scanning Optics // Physics Procedia. - 2012. - Vol. 39. - P. 309-317.
14. Chow M., Bordatchev E.V., Knopf G.K. Experimental study on the effect of varying focal offset distance on laser micropolished surfaces // Int. J. Adv. Manuf. Technol. - 2013. -Vol. 67. - P. 2607-2617.
15. Hafiz, A.M.K. Applicability of a Picosecond Laser for Micro-Polishing of Metallic Surfaces: Dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy (in Mechanical and Materials Engineering) / Supervisor Dr. O. Remus Tutunea-Fatan, Dr. Evgueni Bordatchev; The University of Western Ontario. - Ontario, 2013. - 191 p.
16. Ukara E., Lamikiza A., Martineza S., Estalayob F., Taberneroa I. Laser polishing of GGG70L cast iron with 2D scan-head // Procedia Engineering. - 2013. - Vol. 63. - P. 53-59.
17. Bordatchev E.V., Hafiz A.M.K., Tutunea-Fatan O.R. Performance of laser polishing in finishing of metallic surfaces // Int. J. Adv. Manuf. Technol. - 2014. - Vol. 73. - P. 35-52.
18. Chow M., Bordatchev E.V., Knopf G.K. Impact of Overlapping Trajectories in Laser Micro-Polishing // Proceedings of International Symposium on Optomechatronic Technologies. - 2014. - P. 174-178.
19. Fraunhofer ILT - Prospects of Laser Polishing for Small and Complexly Shaped Parts (2014) [Electronic resource] - Англ. - Режим доступа: http://www.swissphotonics.net/libraries.files/epmt_2014_Ross.pdf
20. Matthews M.J. et al. Micro-shaping, polishing and damage repair of glass surfaces using focused infrared laser beams //Advanced Engineering Materials. - 2014. - P. 1-6.
21. Струсевич А.В. и др. Лазерная очистка поверхности стекла от граффити // Изв. ВУЗов. Приборостроение. - 2014. - Т. 57, № 6. - С. 65-68.
22. Bliedtner J., Barz A., Hecht K., Schwager A.-M. Investigations on Laser Forming of Flat Glasses // Procedia Engineering. - 2015. - Vol. 100. - P. 314-320.
23. Hecht K., Bliedtner J., Rost M., Muller H., Schmidt T. Carbon-Dioxide Laser Beam Polishing of Fused Silica Surfaces - Process Development and Optimization // Advanced Engineering Materials. - 2015. - Vol. 17, № 3. - P. 240-246.
24. Nusser C., Kumstel J., Kiedrowski T., Diatlov A., Willenborg E. Process- and Material-Induced Surface Structures During Laser Polishing // Advanced Engineering Materials. - 2015. -Vol. 17, № 3. - P. 268-277.
25. Patschger A., Hopf A., Gupner M., Bliedtner J. Laser Material Processing of Medical Titanium // Laser Technik Journal. - 2016. - Vol. 1. - P. 24-27.
26. Patent EP 2323138 Method for smoothing optical member for EUVL. Date of filing: 19.08.2009. Date of publication: 23.10.2013. Bulletin 2013/43.
27. Patent US 4510005 Method and apparatus for reshaping and polishing an end face of an optical fiber. John P. Nijman. Date of filing: 28.09.1982. Date of publication: 09.04.1985.
28. Patent US 4731516 Laser polishing semiconductor wafer. Noguchi at al. Date of filing: 09.10.1986. Date of publication: 15.03.1988.
29. Patent US 5068514 Laser polishing of lens surface. James G. Lunney. Date of filing: 23.10.1989. Date of publication: 26.11.1991.
30. Patent US 5742026 Processes for polishing glass and glass-ceramic surfaces using excimer laser radiation. James E. Dickinson at al. Date of filing: 26.06.1995. Date of publication: 21.04.1998.
31. Patent US 6043452 Method and device for processing arbitrary 3D shaped surfaces by means of a laser, in particular for polishing and texturing workpieces, and for producing sealing surfaces on dies. Alexander Bestenlehrer. Date of filing: 09.04.1996. Date of publication: 28.03.2000.
32. Patent US 6492615 Laser polishing of medical devices. Aiden Flanagan. Date of filing: 12.10.2000. Date of publication: 10.12.2002.
33. Patent US 6521862 Apparatus and method for improving chamfer quality of disk edge surfaces with laser treatment. James Hammond Brannon. Date of filing: 09.10.2001. Date of publication: 18.02.2003.
34. Patent US 7592563 Method for smoothing and polishing surfaces by treating them with energetic radiation. Konrad Wissenbach, Edgar Willenborg, Norbert Pirch. Date of filing: 24.06.2003. Date of publication: 22.09.2009.
35. Patent US 8536054 Laser polishing of a solar cell substrate. Dallas W. Meyer at al. Date of filing: 22.06.2010. Date of publication: 17.09.2013.
36. Patent US 8546172 Laser polishing of a back contact of a solar cell. Dallas W. Meyer at al. Date of filing: 22.06.2010. Date of publication: 01.10.2013.
37. Patent WO 2013010876 Process and apparatus for smoothing and polishing... Date of filing: 11.07.2012. Date of publication: 24.01.2013.
© Д. В. Чесноков, Е. В. Шапран, 2016
