CC BY
59
9. Nazarov M. M., Mukina L. S., Shuvaev A. V., Sapozhnikov D. A., Shkurinov A. P., Trofmov V. A. Excitation and propagation of surface electromagnetic waves studied by terahertz spectrochronography // Laser Phys. Lett. 2005. Vol. 2, N 10. P. 471—475.
10. Тихонов А. Н., Арсенин В. Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1979. 284 с.
11. Berry E., Boyle R. D., Fitzgerald A. J., Handley J. W. Time frequency analysis in terahertz pulsed imaging // „Computer Vision Beyond the Visible Spectrum". Ser. Advances in Pattern Recognition. N.Y.: Springer-Verlag, 2005. Vol. 13. P. 290—329.
12. Smye S. W., Chamberlain J. M., Fitzgerald A. J., Berry E. The interaction between terahertz radiation and biological issue // Phys. Med. Biol. 2001. Vol. 46. P. R101—R112.
13. Berry E. Risk perception and safety issues // Biol. Phys. 2003. Vol. 129. P. 263—267.
14. Прохоров А. С., Анзин В. Б., Витухновский Д. А. и др. Терагерцовая спектроскопия спиновых стекол AuFe // ЖЭТФ. 2006. Т. 130, вып 6(12). С. 1027—1034.
15. Zandonella C. Terahertz imaging: T-ray specs // Nature. 2003. Vol. 424. P. 721—722.
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
лазерных технологий 26.12.07 г.
и экологического приборостроения
УДК 681.7.069.24:621.81-023.5
А. Г. Верхогляд
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения Сибирского отделения РАН, Новосибирск
ОПТИЧЕСКИЙ ТРАКТ ЛАЗЕРНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПРЕЦИЗИОННОГО МИКРОПРОФИЛИРОВАНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ ПРОИЗВОЛЬНОЙ ФОРМЫ
Рассчитаны параметры лазерного излучения для одноимпульсного удаления металлических пленок, применяемых при создании большеразмерных антенн с заданной диаграммой направленности. С помощью реализованной оптической схемы лазерного технологического комплекса обеспечены необходимые параметры излучения на обрабатываемой поверхности произвольного профиля, долговременная (более 10 ч) стабильность этих параметров при высоких (до 3-109 Вт/см2) значениях плотности мощности на поверхности обрабатываемого изделия с сохранением хорошей адгезии между металлом и диэлектриком на границе зоны абляции при неровности края зоны менее 10 мкм.
Введение. Развитие средств связи и глобальных навигационных систем требует разработки технологии изготовления большеразмерных (диаметром в несколько метров) прочных антенн с заданной диаграммой направленности. Одной из наиболее перспективных является технология нанесения на заранее сформированную поверхность из углепластика тонкой металлической пленки с последующим ее удалением в соответствии с заранее рассчитанной топологией. Эта технология требует прецизионной аппаратуры (для антенн миллиметрового диапазона сформированная топология должна отличаться от расчетной не более чем на несколько десятков микрон по всему полю антенны) для удаления металлической пленки в соответствии с рассчитанной топологией. Формировать заданную топологию возможно с использованием многокоординатного лазерного технологического комплекса (ЛТК) [1—5].
Оснастив комплекс мощным импульсным лазером и используя процесс абляции, возможно испарять тонкие пленки металла, нанесенные на поверхность диэлектрика, тем самым формируя необходимую топологию отражающего слоя. Размер обрабатываемых изделий может достигать 3000x3000^600 мм при характерном размере единичного элемента микропрофиля до 0,5x0,5 мм и отклонении положения синтезированного элемента от заданного менее чем на 20 мкм в любой точке обрабатываемой поверхности. Изделие максимального размера должно обрабатываться не более чем за 24 рабочих часа.
При создании такого комплекса необходимо рассчитать и реализовать требуемые характеристики технологического лазера (энергия, длительность, модовый состав лазерного импульса, частота повторения импульсов), а также определить необходимые параметры оптической системы, способной создавать заданные распределение интенсивности, форму и размер пятна излучения в зоне обработки.
Основные общие характеристики созданного в КТИ Научного приборостроения многоцелевого лазерного комплекса для резки, сварки и абляции изложены в [5]. В настоящей работе представлены результаты расчета требуемых параметров технологического лазера для абляции, детально описана оптическая схема созданного ЛТК в режиме абляции и приведены экспериментальные результаты.
Определение параметров излучения. Сформулируем основные технологические требования к процессу обработки:
— время обработки большой поверхности (~10 м ) в пределах рабочей смены (~ 8 ч);
— форма единичного элемента топологии — прямоугольная (размером — 0,5x0,5 мм);
— неровность края сформированного профиля не более 20 мкм.
Кроме того, следует учесть, что обрабатываемый материал — напыленная пленка меди, алюминия, никеля толщиной около 2 мкм, материал подложки — углепластик (кевлар), поэтому допустимо лишь минимальное повреждение материала подложки.
Существует два подхода к поверхностной обработке: послойное испарение материала под действием множества лазерных импульсов, имеющих относительно низкую плотность мощности излучения на обрабатываемой поверхности, а также испарение заданного слоя при воздействии единичного лазерного импульса с достаточной плотностью мощности. Первый подход рассмотрен в работе [4], где было показано, что в этом случае температура материала мишени при увеличении количества лазерных импульсов в серии возрастает (вплоть до образования расплава). Следует отметить, что, вероятно, именно по этим причинам нам не удалось сериями лазерных импульсов в постановочных экспериментах достичь приемлемого качества абляции: на краях области воздействия импульсов с поверхностью была нарушена адгезия металлической пленки и диэлектрического материала подложки. Однако при испарении пленки одним импульсом на всю толщину за счет правильного выбора его параметров удалось сохранить хорошую связь между пленкой и подложкой на краях области воздействия.
С целью испарения слоя одним импульсом исходя из перечисленных выше технологических требований были оценены параметры лазерной генерации: энергия единичного лазерного импульса, частота повторения импульсов, длина волны лазерного излучения, длительность единичного лазерного импульса.
Размер пятна лазерного излучения на поверхности обрабатываемого изделия выбирался равным размеру минимального элемента рассчитываемой топологии профиля поверхности. Пятно на обрабатываемой поверхности имеет форму квадрата со стороной 0,5 мм. Исходя из того что металлическая пленка по всей площади пятна должна испаряться в результате воздействия одного импульса, нижняя граница значения энергии лазерного импульса находится из следующего соотношения:
Ж> БЬр(СДТ + г + £)/(! - Я),
где £ — площадь лазерного луча на обрабатываемой поверхности, Ь — толщина испаряемого материала, р — плотность материала, Я — коэффициент отражения обрабатываемой поверхности, ДТ — изменение температуры испаряемого материала (фактически температура кипения испаряемой пленки), С, г, д — удельные теплоемкость, теплота парообразования и теплота плавления материала пленки соответственно. Значение Я изменяется в процессе воздействия на материал лазерного излучения при оценках Я = 0,8.
Если в качестве материала выбрать алюминий, то для нижней границы энергии лазерного импульса получим Ж > 15 мДж.
Длительность импульса определяется из условия, что за время действия импульса толщина нагреваемого материала не должна превышать толщины пленки. Характерное значение коэффициента поглощения излучения для металлических пленок 8 > 105 см-1. При толщине испаряемой пленки Ь даже в несколько микрометров выполняется условие прогрева материала пленки вследствие действия механизма термодиффузии. В этом случае толщина прогрева металла [6] определяется следующим образом:
Ьт = (XX)1'2,
где х — коэффициент температуропроводности материала пленки, т — длительность лазерного импульса. Подставив в это выражение соответствующие значения для алюминия, нахо-
_8
дим т < 10 с.
Из приведенных оценок и были определены длительность, энергия и мощность единичного лазерного импульса. Частота следования лазерных импульсов должна обеспечивать достаточную производительность лазерного технологического комплекса (возможность обработки детали за одну или две смены). Также, для отработки технологии, была предусмотрена возможность изменения длины волны (возможность работы на первой либо на второй гармонике лазерного излучения). В результате были сформулированы следующие требования к технологическому лазеру.
Длина волны излучения, мкм................................................... -0,532 (вторая гармоника) либо 1064
Режим работы........................................................................................................................................................импульсно-периодический
Энергия единичного импульса, мДж............................................................................> 33
Частота повторения импульсов, Гц..................................................................................-300
Длительность единичного импульса, нс..................................................................< 10
Средняя мощность излучения
(на длине волны 0,532 мкм), Вт..................................................................................> 10
Модовый состав излучения............................................................................................................основная мода ТЕМ00
Технологический лазер разработан и создан по схеме задающий генератор—усилитель; в нем использованы двухкаскадный усилитель и задающий УЛв^ё-лазер. Общий вид лазера и выходного каскада приведен на рис. 1 (а и б соответственно).
а) б)
Рис. 1
Оптическая схема ЛТК. При разработке оптической схемы ЛТК необходимо учитывать
— величину линейных перемещений исполнительного элемента вплоть до нескольких метров;
— значения пиковой мощности лазерного излучения до 10 Вт;
— необходимость создания равномерного распределения интенсивности в пятне на поверхности обрабатываемой детали;
— необходимость управления мощностью излучения и размером пятна на поверхности детали.
Эти требования должны учитываться при выборе схемы построения ЛТК, а именно:
— неподвижные лазерный излучатель и лазерная головка + подвижное обрабатываемое изделие;
— неподвижные изделие и лазерный излучатель + подвижная лазерная головка.
В первом случае, вследствие того что размеры обрабатываемых деталей достигают 3 м в поперечнике, габариты ЛТК могут быть более 10 м. Для обеспечения высокой точности обработки (погрешность менее 20 мкм) необходимо иметь термостабилизированное помещение соответствующих размеров.
При неподвижных изделии и лазерном излучателе обработка изделия производится за счет перемещения исполнительного элемента — лазерной головки. Один из существенных недостатков данной схемы — большие относительные и абсолютные изменения расстояния между излучателем и объективом лазерной головки. Данное обстоятельство, при условии сохранения параметров лазерного пятна в любой точке обрабатываемой поверхности, приводит к резкому увеличению диаметра пучка в оптическом канале, а следовательно, и апертуры всех оптических элементов. При этом во избежание выхода из строя оптических элементов необходимо герметизировать оптический канал на всем его протяжении.
Рис. 2
Учитывая эти причины и особенности конструкции ЛТК (портальная конструкция при значительной массе подвижных частей) была выбрана схема: неподвижное изделие— подвижный лазерный излучатель [5]. Система позиционирования ЛТК обеспечивает перемещение излучателя вдоль любого из трех направлений одновременно с погрешностью менее 10 мкм, а лазерная головка (рис. 2) вращается вокруг двух взаимно перпендикулярных осей, что позволяет производить обработку любой точки поверхности при условии ортогональности сфокусированного лазерного луча к обрабатываемой поверхности.
Оптическая схема ЛТК приведена на рис. 3. Излучение с выхода технологического лазера 1 (вторая гармоника УЛО:Кё-лазера) поступает на дифракционный аттенюатор 2 [7], предназначенный для управления мощностью лазерного излучения, а часть излучения
(+1 и -1 порядки дифракции) попадает на поглотитель 3. Применение дифракционного аттенюатора для управления мощностью излучения позволяет сохранять постоянными все режимы работы лазерного генератора, что обеспечивает высокую стабильность параметров лазерной генерации и простоту управления. Далее излучение проходит через коллиматор 4. Назначение коллиматора — снизить плотность мощности в лазерном пучке и согласовать диаметр лазерного пучка с входными диаметрами последующих оптических элементов. На выходе аттенюатора диаметр лазерного пучка (на уровне мощности 1/е ) равен ~ 20 мм (входное значение ~ 3,4 мм). После коллиматора излучение попадает на поворотное зеркало 5. Зеркало расположено под углом 45° к оси пучка и приводится во вращение в горизонтальной плоскости приводом и системой числового программного управления ЛТК. Вращение зеркала обеспечивает соответствующую ориентацию лазерного пучка. Для выравнивания интенсивности по сечению пятна и придания нужной формы используется многопризменный гомогенизатор 6 с фокальным расстоянием 102 мм. В фокальной плоскости гомогенизатора пучок имеет в сечении форму квадрата со стороной 5 мм и практически равномерным распределением интенсивности (отклонение от квадратной формы составило менее 0,2 мм, а отклонение интенсивности в любой точке квадрата от среднего уровня — менее 10 %). В фокальной плоскости гомогенизатора установлена маска переменного размера 7. При изменении размера маски изменяется размер пятна на обрабатываемой поверхности. Маска имеет форму квадрата, размер стороны которого может изменяться в пределах от 0,5 до 5 мм. После маски излучение попадает на второе поворотное зеркало 8. С помощью этого зеркала обеспечивается ориентация лазерного пучка в вертикальной плоскости. Линзы 9 и 10 образуют рабочий объектив ЛТК. Данный объектив проецирует изображение маски на обрабатываемую поверхность с уменьшением линейных размеров в 10 раз.
Рис. 3
Результаты эксперимента. Излучение на выходе технологического лазера в сечении имело эллиптическую форму (длины полуосей незначительно отличались друг от друга) с расходимостью, практически равной дифракционной ~ 1,5-10 рад. Средняя энергия единичного импульса — 0,038 Дж, максимальный разброс энергий отдельных импульсов не превышал 7 %, длительность импульса (на полувысоте) равнялась 8 ± 1 нс. Распределение энергии было близким к гауссовому, максимальная частота следования импульсов могла плавно изменяться от 0 до 300 Гц. Потери энергии в оптическом канале при максимальной диафрагме в
1
фокальной плоскости гомогенизатора не превышали 10 %. Пятно в фокальной плоскости рабочего объектива имело форму, близкую к прямоугольной, с практически равномерным распределением интенсивности по сечению (рис. 4).
Применение данной оптической схемы позволило производить обработку большераз-мерных (с характерным размером в несколько метров) изделий при одинаковых условиях фокусировки и поддержании стабильных параметров излучения на поверхности обрабатываемого изделия при длительности обработки более 10 ч. Неровность края обработки не превышала 10 мкм.
На основе проведенных оценок и экспериментальных исследований выявлены необходимые значения параметров лазерного излучения для удаления металлических пленок с сохранением хорошей адгезии между металлом и диэлектриком в композитных изделиях (металлическая пленка на диэлектрической основе).
Е, о.е.
-1 0
Рис. 4
Реализованная оптическая схема ЛТК обеспечила необходимые параметры лазерного излучения на обрабатываемой поверхности, долговременную (более 10 ч) стабильность этих
9 2
параметров при высоких (до 3-10 Вт'см ) значениях плотности мощности на поверхности обрабатываемого изделия. Осуществлен одноимпульсный режим абляции с сохранением хорошей адгезии между металлом и диэлектриком на границе зоны абляции при неровности края зоны менее 10 мкм.
Рабочие испытания ЛТК показали возможность промышленного применения технологии лазерной абляции для прецизионного формирования микропрофиля композитных поверхностей большеразмерных изделий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Kunihiko W. Overview of lasers for materials processing and laser materials processing technologies // NEC Res. and Dev. 2000. Vol. 41, N 2. P. 171—177.
2. Vatsya S. R., Bordatchev E. V., Nikumb S. K. Geometrical modeling of surface profile formation during laser ablation of materials // J. Appl. Phys. 2003. Vol. 93, N 12. P. 9753—9759.
3. Азизбекян Г. В., Григорян Г. В., Казарян М. А. и др. Лазерные системы генератор-усилитель на парах меди для микрообработки материалов // Изв. вузов. Приборостроение. 2006. T. 49, № 9. С. 59—62.
4. Горный С. Г., Григорьев А. М., Патров М. И., Соловьев В. Д., Туричин Г. А. Специфика поверхностной обработки металла сериями лазерных импульсов наносекундной длительности // Квант. электрон. 2002. T. 32, № 10. С. 929—932.
5. Базин В. С., Верхогляд А. Г., Выхристюк И. А., Касторский Л. Б., Кирьянов В. П., Кокарев С. А., Проць В. И., Сысоев Е. В. Многофункциональная прецизионная лазерная технологическая система для обработки больше-размерных деталей произвольной топологии // Автометрия. 2005. Т. 41, № 6. C. 107—114.
6. Ахманов С. А., Никитин С. Ю. Физическая оптика. М.: Изд-во МГУ, 1998. C. 82.
7. Poleshchuk A. G. Diffractive light attenuators with variable transmission // J. Modern Optics. 1998. Vol. 45. P. 1513—1522.
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
лазерных технологий 26.12.07 г.
и экологического приборостроения
УДК 535.211
Е. Б. Яковлев, В. П. Вейко, В. К. Кирилловский, А. О. Голубок,
Д. Т. Ле, З. Зыонг
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНФИГУРАЦИИ АПЕРТУРЫ БЛИЖНЕПОЛЬНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЗОНДОВ ПО РАСПРЕДЕЛЕНИЮ СВЕТОВОГО ПОЛЯ В ДАЛЬНЕЙ ЗОНЕ
Описан метод лазерной вытяжки ближнепольных оптических зондов из оптоволокна. Разработан метод регистрации излучения зонда в дальнем поле с расширенным диапазоном регистрируемой освещенности. Распределения освещенности в дальней зоне сопоставлены с качеством зондов.
Введение. Сканирующий ближнепольный оптический микроскоп (СБОМ), относящийся к семейству зондовых, работает на основе сканирования образца источником оптического излучения с размерами, меньшими длины волны света. Этим источником является зонд — заостренное оптическое волокно с металлическим покрытием. Металлом не покрывается вершина острия (апертура зонда). В СБОМ фактором, который определяет его максимально возможное разрешение, является качество используемого зонда. Именно размер острия зонда (апертура) определяет разрешение СБОМ, значение которого порядка диаметра острия зонда. Более того, основными характеристиками являются не только размер диафрагмы, но и оптическое пропускание, а также качество металлического покрытия, формирующего апертуру [1].
Известно [2, 3], что характер распределения интенсивности света в дальнем поле связан с параметрами апертуры. Поэтому по дальнему световому полю можно охаракте-ризировать апертуру ближнепольных оптических зондов (БОЗ), что является целью настоящей работы.
Излучение, проходящее через субволновую апертуру, имеет две составляющие: первая, соответствующая высокой частоте в пространственном спектре источника, является эванесцентной волной, которая быстро затухает. Вторая составляющая, соответствующая низкой частоте, является излучающей волной, которая может распространяться [4]. Регистрируется излучающая волна, и по ее распределению в дальнем поле вполне возможно рассчитать распределение этой волны в апертуре, с помощью чего можно установить ее размер.
Проблема состоит в том, что для восстановления светового поля в плоскости апертуры нужно знать распределение дальнего поля на всей плоскости. Конечно, регистрация не может быть проведена на всей плоскости — это и не требуется, поскольку интенсивность излучения при большом угле имеет столь малое значение, что им можно пренебречь.
