CC BY
91
УДК 621.373.826
С. В. Гагарский, П. А. Гнатюк, А. Н. Сергеев, В. Ю. Храмов
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ ДЛЯ 3Б-МАРКИРОВКИ В ОБЪЕМЕ ПРОЗРАЧНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Определены параметры лазерных импульсов килогерцового диапазона, обеспечивающих воспроизводимую запись информации в результате создания локальных лазерно-индуцированных изменений оптических свойств в объеме различных прозрачных материалов. Приведены данные по разработанным твердотельным лазерам с диодной накачкой, предназначенных для применения в микротехнологиях и научных исследованиях.
Ключевые слова: твердотельные лазеры с диодной накачкой, лазерная маркировка, объемная маркировка, лазерно-индуцированный оптический пробой, ла-зерно-индуцированные люминесцентные центры.
Первые попытки использования лазерно-индуцированного объемного пробоя [1, 2] для создания декоративных изделий и маркировки под поверхностью стекла были проведены практически сразу после появления лазеров с модулированной добротностью [3]. Значительный прогресс в развитии промышленных установок для внутриобъемной маркировки и гравировки прозрачных диэлектриков достигнут лишь после появления доступных килогерцо-вых твердотельных лазеров с диодной накачкой, обеспечивающих высокую скорость обработки и долговременный ресурс работы гравировальных установок.
В современных технологических комплексах символы, рисунки и изображения наносятся путем сканирования сфокусированного лазерного пятна в выбранной плоскости, расположенной в объеме заготовки. В результате воздействия нано-, пико- или фемтосекундных лазерных импульсов в объеме материала происходят необратимые изменения, связанные либо с нарушением макроструктуры материала (оптический пробой), либо с локальными изменениями вещественной или мнимой части показателя преломления материала, либо с созданием лазерно-индуциро-ванных центров люминесценции, образующихся в результате изменения химической структуры отдельных молекул, внедренных в матрицу заготовки [4—6]. Высокая скорость и точность позиционирования перетяжки лазерного пучка в пределах рабочего поля обеспечивается, как правило, прецизионным двухосевым гальваносканером. Увеличение поперечных размеров создаваемого образа достигается относительным перемещением прозрачной заготовки в ХТ-направлении с последующим перекрытием полей сканирования. Последовательная смена слоев, в которых наносится маркировка, осуществляется перемещением плоскости фокусировки лазерного пучка с помощью линейных трансляторов, управляемых шаговыми или пьезоэлектрическими двигателями. Минимально допустимые расстояния между соседними слоями и пикселами в одном слое ограничены нежелательным слиянием соседних точек маркировки в результате механических или температурных воздействий и определяются как параметрами сфокусированного пучка, так и физической природой вносимых в материал изменений структуры, приводящих к появлению внутренних напряжений в матрице [7], значение которых, в свою очередь, зависит от технологических параметров процесса лазерной обработки. Допустимые размеры отдельного пиксела варьируются от десятков микрометров при образовании микроповреждений, возникающих в результате оптического пробоя диэлектриков, до десятков нанометров при записи светоиндуцированных фазовых неоднородностей, центров окраски или центров люминесценции.
Требования к лазерным источникам, предназначенным для гравировки в объеме прозрачных диэлектриков, существенно отличаются от требований к лазерам, используемым для поверхностной гравировки материалов. Во-первых, пороговые значения плотности световой
энергии, необходимой для разрушения объема диэлектрика, как правило, выше порогов повреждения поверхности. При использовании наиболее широко распространенных неодимо-вых лазеров и стандартных гальваносканеров с входной апертурой 12—14 мм и фокусным расстоянием объектива 100 мм, обеспечивающих рабочее поле 60x60 мм, пороговая энергия лазерного импульса длительностью 5—10 нс и с коэффициентом модуляции, вызванной частичной синхронизацией мод, составляет величину порядка 0,7 мДж на длине волны Ag=1,06 мкм, 0,4 мДж при A.g=0,532 мкм и 80 мкДж при Xg=355 нм при условии, что расходимость лазерного пучка близка к дифракционной. Во-вторых, по экономическим соображениям (относительно ресурса систем диодной накачки и затрат на систему охлаждения) в промышленных наносекундных системах обычно используется импульсный режим накачки с прерыванием на время перемещения между раздельными фрагментами записи или смене образцов. Это приводит к необходимости использования дополнительных систем стабилизации, обеспечивающих воспроизводимость пространственных и энергетических параметров излучения от импульса к импульсу вне зависимости от интервала прерывания процесса записи информации. Кроме того, в ряде случаев для реализации полутоновых изображений, а также для компенсации оптических потерь в объеме материала требуется динамическое управление энергией импульсов.
Необходимость учета указанных требований привела к разработке твердотельных лазеров на основе неодимсодержащих кристаллов серии VLC3 с импульсной продольной лазерной накачкой, электрооптической модуляцией добротности и возможностью динамического управления энергией в каждом импульсе с частотами повторения до 5 кГц. Разработка осуществлена сотрудниками кафедры лазерной техники и биомедицинской оптики и Лазерного центра НИУ ИТМО совместно с компанией "Vitro Laser" (Германия).
Оптическая схема и внешний вид лазерного излучателя VLC3.4V-G приведены на рис. 1, а, б соответственно. Продольная накачка активного элемента (АЭ) 4 осуществляется от импульсного диодного модуля с волоконным выходом. В резонаторе излучателя расположены глухое 1 и выходное 2 зеркала, призма Дове 5 с нанесенным поляризатором, два оборачивающих зеркала 3 или призма БР180 и электрооптический затвор 6 на основе кристалла BBO. В зависимости от модели преобразование частоты излучения обеспечивается кристаллами KTP или LBO 8 после коррекции состояния поляризации фазовой пластиной 7. Далее пучок разворачивается на 180° дихроичными зеркалами 9, 10 и попадает в выходной телескоп с выбранным увеличением.
а)
1 Объектив
т-м
Оптическое волокно
ч--0—MBS
7 8
Выходной телескоп
10
Рис. 1
Существенной особенностью разработанного лазерного излучателя является наличие систем, обеспечивающих стабилизацию температуры эмиттера диода накачки и тепловой линзы в активном элементе, а также температуры рабочей области нелинейных преобразователей частоты излучения вне зависимости от перерыва между соседними рабочими импульсами.
3
9
2
В основном этот результат достигается управлением формой тока подставки (/bias) и задержкой момента включения электрооптического затвора относительно момента достижения максимального усиления активного элемента (ATqs).
Диаграмма, поясняющая принцип работы систем стабилизации и управления параметрами выходных импульсов лазера в режиме 3D-маркировки представлена на рис. 2.
Координата X
(Z=0)
Управляющий синхроимпульс
Ток /bias через диодный лазер
Выходной синхроимпульс
Li
Управляющее напряжение задержки
Синхроимпульс для блока управления затвором
Коэффициент Порог усиления в АЭ .....гешжии.._
л
_с
J
Энергия лазер- ......Пор^.................
1 1 гравировки
ного импульса
А
} № ft ff
L
Л
J]
4
L
M.....liii
i
1
J—L
Разогрев
Задержка
(Z=l)
Li
X
oo о
О oO
Z
Изображение
1 ( ч
1 II I II L
Л /| Л Г\Г\ (\
-f —i г1—U=
Время
AT,
QS
Рис. 2
Управляющий синхроимпульс подается на блок питания диодного модуля в момент достижения зеркалами сканера заданного положения. Задержка синхроимпульса открывания электрооптического затвора относительно заднего фронта импульса накачки задается текущим значением управляющего напряжения. Она определяет уровень энергии лазерного импульса, доставленного в заданную точку образца. В простейшем случае значение управляющего напряжения, изменяющего АТд$, функционально связано с координатами точки маркировки в образце: АТд$=/(Х,7,2), и компенсирует изменение поперечных размеров сфокусированного лазерного пучка, а также потери излучения на поглощение и рассеяние в зависимости от координат наносимой точки. Для более сложных случаев компенсации фазовых искажений в объеме образца и для нанесения полутоновых изображений значения АТ^ могут задаваться компьютерной программой после обработки исходного файла изображения и введения информации об оптической однородности образца. Количество предварительных импульсов разогрева в течение времени Т„ и время удержания тока подставки /^ вырабатываются программой и зависят от временного интервала между нанесением последующих точек маркировки.
Общее управление разработанными для излучателей этой серии блоком питания диодных лазерных модулей ЬБМРБ-ЮО [8], драйвером управления затвором HVSw6 [9] и лазерным бортовым контроллером ЬБС-4 осуществляется компьютерной программой. Программа обеспечивает доступ к изменению параметров накачки, температуры элементов, энергии импульсов генерации на лазерной частоте и частотах гармоник, а также индикацию состояния компонентов излучателя.
Использование систем стабилизации и динамического управления энергией в разработан-
ном лазерном источнике позволило значительно расширить инструментальные возможности при маркировке оптической продукции и создании декоративных изделий, а также при параметрической записи цифровой информации [5, 10—12]. Основные технические характеристики лазерных излучателей серии УЬС3.4 (модификация 4 для серии УЬС3) приведены в таблице.
Характеристика VLC3.4G-IR VLC3.4G-V VLC3.4V-IR VLC3.4V-G VLC3.4V-UV
Активный элемент Nd:YAG Nd:YVO3
Параметры импульса накачки:
длина волны, нм 807 807
максимальная энергия, мДж 9 5
длительность импульса, мкс 180 105
Хе, нм 1064 532 1064 532 355
Максимальная энергия
в импульсе Egmax, мДж, более 1,8 0,8 1,3 0,6 0,4
Максимальная частота
повторения импульсов, кГц 1,3 1,3 5 5 5
Длительность импульсов, нс 8 7,6 5 4,2 3,8
Качество выходного пучка M 2,
не хуже 1,5 1,5 1,6 1,6 1,6
Нестабильность энергии
импульсов в течение 8 ч непрерывной работы RMS, %, не хуже 1,6 2,2 1,6 2,2 2,2
Максимальная нестабильность
энергии от импульса
к импульсу, %, не хуже 5 7 4 7 7
Диапазон регулировки энергии
отдельного импульса генерации
внешним напряжением (0,01.1) Egmax
Увеличение выходного теле-
1—"X скопа излучателя Г 1—14 1—12 1—14 8—12 10
Диаметр выходного пучка D, мм 0,9-Гх 0,7-Гх 0,8-Гх 0,65-Гх 0,55-Гх
Расходимость излучения 0, мрад M% /D
Габариты излучателя, мм 166x114x270
Вес излучателя, кг 4,5
Рабочий температурный диапазон, ...°С 15—30
Лазеры серии VLC3 используются в составе технологических комплексов типа VITROLUX-C,-UC,-MC, производимых компанией "Vitro Laser". Примеры гравировальных комплексов c использованием излучателей серии VLC3 приведены на рис. 3.
VITROLUX-2H VITRO MC-1
Рис. 3
Минимальное расстояние между соседними пикселами в объеме коммерческого стекла марки ВК7, достигаемое в комплексах, оснащенных ультрафиолетовыми лазерами VLC3.4V-UV c использованием объектива с фокусным расстоянием F=56 мм, составляет 12—14 мкм.
Для увеличения плотности записи информации в объеме прозрачных изделий с толщиной стенок менее 1 мм без повреждения внешних оптических поверхностей разработаны излучатели на основе микрочип-лазеров с пассивной модуляцией добротности. Лазеры серии УЬС5 на основе композитных элементов Ш3:УАО—Сг4:УАа обеспечивают генерацию отдельных субнаносекундных импульсов на длине волны третьей гармоники неодимсодержа-щих кристаллов (спектральный диапазон генерации в области 355 нм) с энергией до 80 мкДж либо генерацию пачек импульсов (в количестве до 4), предназначенных для нанесения матричных кодов в изделиях. Синхронизация положения перетяжки сфокусированного пучка в изделии, задаваемого текущими углами зеркал гальваносканера и моментом генерации суб-наносекундного импульса, обеспечивается формой импульса накачки, в профиле которого присутствуют дополнительные субимпульсы длительностью 2—4 мкс, достаточные для превышения порога генерации моноимпульса в режиме пассивной модуляции добротности. В результате сокращения длительности импульсов и улучшения качества лазерного пучка (параметр М , характерный для излучателей этого типа, составляет 1,15) минимальное допустимое расстояние между соседними пикселами записи в условиях, описанных для излучателя УЬС3.4У-ИУ, сократилось до 8 мкм.
Примеры использования в различных областях рассмотренных лазерных источников приведены на рис. 4, 5: рис. 4, а — результат лазерной гравировки в объеме стекла марки ВК7; рис. 4, б — нанесение матричного кода в стенке контейнера для лекарств (толщина стенки 1 мм, появление микротрещин на поверхностях не допускается); рис. 5, а — тестовый скан для определения лучевой прочности и порога двухфотонной записи люминесцирующих центров в хромонах [6], внедренных в полимерную матрицу: точка 1 — присутствует оптический пробой матрицы, точка 2 — люминесцентная метка без пробоя; рис. 5, б — зависимость интенсивности люминесценции Р1ит от радиальной координаты Ф вдоль направления 3 (см. а), энергия наносекундного лазерного импульса на длине волны записи 532 нм уменьшается от периферии к центру по заданному закону.
Рис. 4 Рис. 5
Результатом проведенных работ, описанных в данной статье, стало создание промышленных твердотельных лазеров, предназначенных для использования в микротехнологиях, медицине и научных исследованиях. Лазеры серии УЪС3 обеспечивают генерацию наносе-
кундных импульсов миллиджоульного уровня энергии с килогерцовой частотой повторения в одномодовом режиме, а лазеры серии VLC5 генерируют одномодовые одночастотные субна-носекундные импульсы с энергией порядка сотен микроджоулей и обеспечивают дискретную запись информации в объеме прозрачных материалов с повышенной плотностью.
список литературы
1. Glass A. J., Guenther A. H. Damage in laser glass-review — A status report // Applied Optics. 1973. Vol. 12, Iss. 4. P. 637—649.
2. Маненков А. А., Прохоров А. М. Лазерное разрушение прозрачных тел // Успехи физ. наук. 1986. Т. 148, вып 1. С. 5—38.
3. Пат. 321422 СССР. Метод изготовления декоративных изделий / В. В. Агаджанов, В. И. Гостев, В. В. Груздев, Л. А. Карпоносов, В. И. Лавров // Б.И. 1971. № 35.
4. Troitski I. Laser-induced image technology (yesterday, today, and tomorrow) // Proc. of SPIE. 2005. Vol. 5664. P. 293—301.
5. Gnatyuk V. A., Kanev K. К., Gagarsky S. V. Features of transparent material marking with nano- and subnanosecond laser pulses // J. of Advanced Research in Physics. 2011. Vol. 2, Iss. 2. P. 1—5.
6. Barachevsky V. A., Krayushkin M. M., Kyiko V. V., Grebennikov E. P. Light-sensitive organic recording media for 3D optical memory // Phys. Status Solidi C 8. 2011. N 9. P. 2841—2845.
7. Морозов Н. Ф., Зимин Б. А., Семенов Б. Н., Судьенков Ю. В., Баранов Г. А., Беляев А. А., Цветков Г. В. Исследование динамической прочности объема кварцевого стекла методом оптического пробоя // Письма в ЖТФ. 2004. Т. 30, № 6. С. 38—44.
8. Тогатов В. В., Гагарский С. B., Гнатюк П. А., Черевко Ю. И. Импульсный блок питания лазерных диодных модулей для накачки твердотельных лазеров // Приборы и техника эксперимента. 2007. № 2. C. 158—159.
9. Тогатов В. В., Гагарский С. B., Гнатюк П. А., Терновский Д. С. Высоковольтный импульсный наносекундный модулятор // Там же. 2007. № 6. C. 134—135.
10. Гагарский С. В., Ермолаев В. С., Сергеев А. Н., Пузык М. В. Исследование лучевой прочности диэлектрических покрытий, нанесенных на оптическую поверхность // Изв. вузов. Приборостроение. 2012. Т. 55, № 7. С. 80—84.
11. www.vitro.de,www.looxis.com
12. Ayt A., Kiyko V., Gagarsky S., Barachevsky V., Kraushkin M., Iglev H. An investigation of two-photon photochronism in thin-photochromic films // Abstracts of Phenics Intern. Network Simp., Nantes, France. 2012.
Сведения об авторах
Сергей Валерьевич Гагарский — канд. физ.-мат. наук; Санкт-Петербургский национальный исследова-
тельский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; E-mail: s.gagarsky@mail.ru
Петр Анастасьевич Гнатюк — Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; инженер; E-mail: gnatyuk@mail.ru Андрей Николаевич Сергеев — аспирант; Санкт-Петербургский национальный исследовательский
университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; E-mail: mg_phooenix@yahoo.com Валерий Юрьевич Храмов — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский национальный ис-
следовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; заведующий кафедрой; E-mail: khramov@grv.ifmo.ru
Рекомендована кафедрой лазерной Поступила в редакцию
техники и биомедицинской оптики 26.04.13 г.
