CC BY
45
УДК 621.3.038.8.004.14
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПРЕЦИЗИОННОЙ ФЕМТОСЕКУНДНОЙ МИКРООБРАБОТКИ ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Сергей Геннадиевич Баев
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, главный специалист, тел. (383)333-24-91, e-mail: baev@ iae.nsk.su
Виктор Павлович Бессмельцев
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, кандидат технических наук, зав. лабораторией лазерной графики, тел. (383)333-24-91, e-mail: bessmelt @iae.nsk.su
Евгений Дмитриевич Булушев
Институт автоматики и электрометрии пр. Академика Коптюга, 1, младший e-mail: e.d.bulushev@gmail.com
Николай Владимирович Голошевский
Институт автоматики и электрометрии пр. Академика Коптюга, 1, младший e-mail: nickolayg@iae.nsk.su
Eвгений Петрович Горяев
Институт автоматики и электрометрии пр. Академика Коптюга, 1, ведущий e-mail: goryaev_e@mail.ru
Вадим Викторович Кастеров
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, инженер электроник, тел. (383)333-24-91, e-mail: kasterov@iae.nsk.su
Михаил Викторович Максимов
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск,
пр. Академика Коптюга, 1, ведущий инженер конструктор, тел. (383)333-24-91, e-mail: mmaks@ngs.ru
Константин Константинович Смирнов
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, ведущий инженер программист, тел. (383)333-24-91, e-mail: kot@ iae.nsk.su
Рассмотрены особенности создания аппаратно-программных средств для лазерной фемтосекундной микрообработки стекол и других хрупких диэлектрических материалов. Кратко представлены результаты работы по созданию лазерной прецизионной системы микрообработки таких материалов с интегрированными средствами контроля качества и математического обеспечения для оптимизации параметров обработки.
СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, научный сотрудник, тел. (383)333-24-91,
СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, научный сотрудник, тел. (383)333-24-91,
СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, инженер конструктор, тел. (383)333-24-91,
Ключевые слова: лазерная фемтосекундная мирообработка, автоматизированный контроль качества, конфокальные хроматические сенсоры, регрессионный анализ.
TECHNOLOGY FEATURES OF FEMTOSECOND LASER MICRO-MACHINING OPTICAL MATERIALS
Sergey G. Baev
Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, chief specialist, tel. (383)333-24-91, e-mail: baev@ iae.nsk.su
Victor P. Bessmeltsev
Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, Ph. D., head of laboratory of the laser graphics, tel. (383)333-24-91, e-mail: bessmelt @iae.nsk.su
Evgeny D. Bulushev
Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, junior research fellow, tel. (383)333-24-91, e-mail: e.d.bulushev@gmail.com
Nikolay V. Goloshevsky
Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, junior research fellow, tel. (383)333-24-91, e-mail: nickolayg@iae.nsk.su
Evgeny P. Goryaev
Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, leading constructor, tel. (383)333-24-91, e-mail: goryaev_e@mail.ru
Vadim V. Kasterov
Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, electronics engineer, tel. (383)333-24-91, e-mail: nickolayg@iae.nsk.su
Mikhail V. Maksimov
Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, leading constructor, tel. (383)333-24-91, e-mail: mmaks@ngs.ru
Konstantin K. Smirnov
Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, leading software engineer, tel. (383)333-24-91, e-mail: kot@ iae.nsk.su
Features of creation of hardware and software for laser femtosecond microprocessing of glasses and other fragile dielectric materials are considered. Results of work on creation of laser precision system of microprocessing of such materials with the integrated control devices of quality and software for optimization of parameters of processing are briefly presented.
Key words: femtosecond laser micro-machining, automated quality inspection, confocal chromatic sensors, regression analysis.
В течение многих десятков лет механическая гравировка резиста с последующим травлением была основным способом формирования оптических шкал, сеток и лимбов на поверхности деталей оптических приборов. Однако возросшие требования к точности, воспроизводимости и разрешению элементов подобных изделий требуют разработки новых методов обработки.
С появлением пико и затем фемтосекундных мощных промышленных лазеров казалось, что проблема обработки материалов, таких как стекло и керамика, с помощью лазерного формообразования имеет простое технологическое решение. Так как тепловые процессы, возникающие при фемтосекундной обработке, сведены к минимуму и теоретически исчезающе малы, то и проблемы формирования микросколов и трещин возникающие при обработке стекла и высокотемпературной керамики лазерами с наносекундной длительностью не должны присутствовать. Однако эксперименты, проведенные с реальными материалами и реальными режимами обработки, показали, что добиться микронной или субмикронной шероховатости края без микросколов и микротрещин совсем не просто.
Кроме того применение системы формообразования с использованием источников фемтосекундного излучения в настоящее время имеют ограниченное промышленное применение, что объясняется как высокой стоимостью оборудования, так и следующими технологическими факторами:
1. для прецизионной (ошибки обработки менее 1 мкм) микрообработки
л
изделий размерами более 100^100 мм при высокой производительности (скорость перемещения луча до 1 м/с), требуется применение составной системы сканирования лазерного луча и, соответственно, создание специальных алгоритмов управления, аппаратного и программного обеспечения;
2. рельеф обрабатываемой поверхности обычно существенно больше, чем глубина фокуса (~ 5 мкм), что требует автоматической фокусировки лазерного излучения в зоне плоскости обработки и динамического определения размеров этой зоны;
3. при изготовлении больших серий изделий необходима разработка встроенной системы автоматизированного контроля качества;
4. для достижения высокой воспроизводимости при заданном качестве требуется внедрение и реализации методов для определения оптимальных режимов лазерной микрообработки.
С учетом указанных факторов разработан комплекс фемтосекундной лазерной микрообработки, включающий в себя трехканальную (1030, 515 и 343 нм) систему формирования и позиционирования сфокусированного лазерного пучка субмикронного размера на основе составной системы сканирования [1]. Для увеличения производительности обработки, фокусирование и развертка из-
лучения каналов основной и второй гармоник (1030, 515 нм) производится при помощи электромеханических блоков микросканирования на основе электромеханических сканеров и объективов плоского поля. Блоки микросканирования и фокусировки, а также датчик фокуса и модуль технического зрения с осветителем расположены на каретке механизма вертикального перемещения Z. Обрабатываемые детали располагаются на вакуумном рабочем столе механизма прецизионного двух координатного привода X,Y.
Управление комплексом осуществляется с компьютера, соединенного по каналу USB соединенный с контроллером. Контроллер устройства Scan control осуществляет управление всеми блоками системы.
Основные технические характеристики системы:
- максимальная скорость обработки, мм/с до 1000
- минимальная ширина гравируемой линии, мкм 3
- минимальная дискретность позиционирования, нм 50
- максимальный размер зоны обработки, мм 200х200х100.
Для автоматизации серийного производства, измерения формируемых
объектов и контроля качества лазерной микрообработки разработана система на основе сканирующего профилометра и программного обеспечения "Profilometer" Комплекс включает конфокальные хроматические сенсоры, трёх-координатную систему позиционирования, высокоразрешающую систему технического зрения и обеспечивает следующие технические характеристики:
Л
- область сканирования 200x200 мм ;
- максимальная толщина образца 50 мм;
- получение профиля объекта с погрешностями менее 100 нм со скоростью сканирования до 100 мм\сек головками C1 и С2:
o С1: разрешение XY - 4 мкм, Z - 75 нм, диапазон по Z - 4 мм);
o С2: разрешение XY - 0.9 мкм, Z - 5 нм, диапазон по Z - 130 мкм);
- получение изображений 10 Мп с разрешением 4 мкм;
- сшивка в изображение высокого разрешения (> 1 Гп) с погрешностями менее 10 мкм.
При обработке данных профилометрии используются алгоритмы совмещения с CAD-моделью [2] и выделения границ объектов на изображениях и профилограммах объектов [3]. Результаты работы алгоритмов приведены на рисунке.
Применение таких алгоритмов позволяет определить показатели качества изделий и провести их сравнение с требуемыми значениями по системе допусков (таблица).
Рис. Контроль качества нанесения сетки на поверхность стекла фемтосекундным лазерным излучением:
а) изображение CAD-модели; Ь) карта высот, полученная в результате измерения поверхности стекла на сканирующем профилометре; с) результат автоматического совмещения с CAD-моделью (увеличенная область); &) выделение границ
структурных элементов
При задании режимом лазерной микро- модификации предложено использовать экспериментальный подход на основе планирования экспериментов [4]-[7], состоящий из следующей последовательности этапов: проведение тестовых экспериментов при различных режимах обработки; измерение объектов: определение их размеров и показателей качества; построение математической модели зависимости показателей качества изделия от технологических параметров обработки; определение области оптимальных значений параметров на основе модели. На этапе построения модели используется регрессионный анализ и искусственные нейронные сети. Использование разработанных методов позволило автоматизировать процесс определения оптимальных параметров. Показана возможность оптимизации режимов высокоскоростной фемтосекундной лазерной микрообработки стекла с помощью разработанных алгоритмов и регрессионного анализа данных[9]. Полученная по тестовым данным регрессионная модель позволила существенно ускорить процесс определения режимов лазерной микрообработки стекла ВК7 для получения микроканалов с глубиной в диапазоне 1-30 мкм и имеет среднюю погрешность, не превышающую 10%. Установлены режимы обработки стекла ВК7, обеспечивающие высокие показатели качества изделий (шероховатость дна менее 0,5 мкм, минимальные сколы) при высокой производительности обработки (более 0,3 мм /мин).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бессмельцев В.П., Голошевский Н.В. Система управления составными двухкоор-динатными сканаторами. Автометрия №1, 2007, стр. 116-126.
2. В. П. Бессмельцев and Е. Д. Булушев, 'Быстрый алгоритм совмещения изображений для контроля качества лазерной микрообработки', Компьютерная оптика, vol. 38, no. 2, pp. 343-350, 2014.
3. V. P. Bessmeltsev, E. D. Bulushev, and N. V Goloshevsky, 'Method for Localizing and Measuring Structures Formed under Laser Microprocessing', Pattern Recognit. Image Anal. Adv. Math. Theory Appl., vol. 21, no. 3, pp. 373-376, 2011.
4. L. Orazi, G. Cuccolini, A. Fortunate, and G. Tani, 'An automated procedure for material removal rate prediction in laser surface micromanufacturing', Int. J. Adv. Manuf. Technol., vol. 46, no. 1, pp. 163-171, May 2009.
5. A. Soveja, E. Cicala, D. Grevey, and J. M. Jouvard, 'Optimization of TA6V alloy surface laser texturing using an experimental design approach', Opt. Lasers Eng., vol. 46, no. 9, pp. 671678, 2008.
6. C. K. Desai and A. Shaikh, 'Prediction of depth of cut for single-pass laser micro-milling process using semi-analytical, ANN and GP approaches', Int. J. Adv. Manuf. Technol., vol. 60, no. 9-12, pp. 865-882, Oct. 2011.
7. J. Ciurana, G. Arias, and T. Ozel, 'Neural Network Modeling and Particle Swarm Optimization (PSO) of Process Parameters in Pulsed Laser Micromachining of Hardened AISI H13 Steel', Mater. Manuf. Process., vol. 24, no. 3, pp. 358-368, Feb. 2009.
8. S. K. Dhara, a. S. Kuar, and S. Mitra, 'An artificial neural network approach on parametric optimization of laser micro-machining of die-steel', Int. J. Adv. Manuf. Technol., vol. 39, no. 12, pp. 39-46, Sep. 2007.
9. E. D. Bulushev, V. P. Bessmeltsev, A. V. Dostovalov, N. V. Goloshevsky, and A. A. Wolf, 'High-speed and crack-free direct-writing of microchannels on glass by an IR femtosecond laser', Opt. Lasers Eng., vol. 79, pp. 39-47, 2016.
© С. Г. Баев, В. П. Бессмельцев, Е. Д. Булушев, Н. В. Голошевский, E. П. Горяев, В. В. Кастеров, М. В. Максимов, К. К. Смирнов, 2016
