Локальная аморфизация стеклокерамики излучением YAG: Nd-лазера

4

ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

ЛОКАЛЬНАЯ АМОРФИЗАЦИЯ СТЕКЛОКЕРАМИКИ ИЗЛУЧЕНИЕМ YAG:Nd-ЛАЗЕРА

Б.Ю. Новиков

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор В.П. Вейко

Показана возможность и преимущества формирования двояковыпуклых микролинз методом лазерной аморфизации ситалла СТ-50 при воздействии излучения YAG: Nd-лазера. Определены режимы воздействия, выявлена зависимость параметров формируемых микролинз от условий обработки.

Необходимость получения оптических микроэлементов, в частности, микролинз (МЛ), при миниатюризации технических устройств давно диктуется потребностями производства. МЛ требуются в системах передачи информации для согласования излучения светодиодов и полупроводниковых лазеров с оптоволокном и для соединения различных оптических волокон друг с другом [1-3].

Оптические технологии хорошо развиты для изготовления обычных линз, но изготовить механическим путем качественные линзы с размерами менее 3 мм сложно. Весьма перспективными методами изготовления оптических микроэлементов следует признать методы с использованием лазерных технологий [4]. Один из этих методов -лазерная аморфизация стеклокерамики (ЛАСК). Высокотемпературное локальное воздействие и высокие скорости нагревания-охлаждения являются необходимыми условиями формирования микрооптических элементов методом ЛАСК.

Направление ЛАСК интенсивно исследовалось группами П.А. Скибы [2, 3, 5-7] и В.П. Вейко [1, 8, 9]. Полученные МЛ достигают размеров от сотен микрометров до нескольких миллиметров [1]. Исходя из требований миниатюризации подобных устройств, необходимо получение МЛ с меньшими линейными размерами.

Лазерная аморфизация ситаллов до сих пор исследовалась преимущественно при воздействии инфракрасного излучения с длиной волны l = 10,6 мкм. Благодаря сильному поглощению света указанной длины волны такое воздействие обеспечивает необходимые температуры нагрева (1000-1300 0С) [1] (температура плавления СТ-50 Тплав = 1 473 К [1, 9]). Однако использование излучения С02-лазера с l = 10,6 мкм

для создания МЛ методом ЛАСК ограничивает минимальный размер аморфизирован-ной зоны величиной приблизительно 100 мкм.

Использование YAG: Nd-лазера с l = 1,06 мкм должно привести к уменьшению минимального размера области обработки. Однако при этом возникают совершенно новые проблемы, связанные со слабым поглощением этого излучения в CK и практически полной прозрачностью для него образующегося стекла. Работа посвящена исследованию технологии создания МЛ методом ЛАСК с использованием излучения YAG: Nd-лазера.

К стеклокерамикам (СК) относится широкий класс материалов, имеющих плотную микрокристаллическую структуру, характеризуемую весьма малыми размерами (от 1 до 20 мкм [10, с. 6]) беспорядочно ориентированных кристаллов и отсутствием пористости. В большинстве ситаллы непрозрачны в видимом диапазоне спектра из-за

Введение

Обоснование и проведение эксперимента

сильного рассеяния света на микрокристаллах, несмотря на слабое поглощение в них [10, с. 6-9, 219-225, 275].

Для формирования МЛ методом ЛАСК использован ситалл СТ-50, который имеет следующий состав: 60,5% БЮ2, 13,5% АЬОз, 8,5%СаО, 7,5% М§0, 10% ТЮ2. В нем основными являются микрокристаллы рутила (а-ТЮ2) и кордиерита (2М§0-2А1203-58Ю2) [1, 6, 9]. Именно ситалл СТ-50 использован авторами работ [1-3] как материал для формирования МЛ.

При нагревании свыше температуры плавления кристаллы рутила и кордиерита плавятся. При охлаждении расплав не успевает кристаллизоваться. Образуется прозрачное исходное стекло с высокой прозрачностью (рис. 1).

Рис. 1. Спектр пропускания ситалла СТ-50 до (2) и после (1) лазерной аморфизации [1]

Первоначальная кристаллическая фаза имеет большую плотность, чем аморфная. Поэтому объем при аморфизации увеличивается. На поверхности материала образуется выпуклость, имеющая форму, близкую к полусферической. При сквозной аморфизации тонкой пластины такие выпуклости формируются с обеих ее сторон. Прозрачный аморфизированный объем приобретает линзообразную форму [1-3] (рис. 2). В оптическую силу созданной линзы вносит вклад и градиент показателя преломления, возникающий из-за наличия градиента температуры в области аморфизации в процессе нагрева и охлаждения пластины [11].

#1

Ь Н„

Рис. 2. Схематическое изображение сформированной МЛ

При малых временах обработки (1-3 с) форма линзы может быть похожа на усеченный конус. Чем больше длительность воздействия на заготовку, тем меньше разница между диаметрами МЛ с разных сторон пластины.

Глубина проникновения излучения 5» — [9] на l = 1,064 мкм в СТ-50 может

a

быть найдена из рис. 3 [9]. Для YAG: Nd-лазера a = 95 см-1, что на 2 порядка меньше (соответственно, 5 на 2 порядка больше), чему С02-лазера (a = 8-103 см-1 [1, 9]).

120 100 80

'S

° 60

40 20 0

Образец стеклокерамики СТ-50

1 ] Ис ходная СЕ

] i У

\ А 3  J

Облученная СЕ

400 800 1200 1600 2000 2400 2800 Длина волны нм

Рис. 3. Спектр поглощения ситалла СТ-50 до и после лазерного облучения [9]

При облучении СТ-50 излучением YAG: Nd-лазера плавление будет происходить с поверхности. Поскольку поглощение в расплаве пренебрежимо мало [5, 9], то происходит процесс динамического просветления ситалла (рис. 4).

1 c

3 c

4 c

6 c

Рис. 4. Развитие во времени области аморфизации СТ-50 при обработке излучением YAG: Nd-лазера (q = 33,4 107 Вт/м2, температура предварительного

подогрева Tnp = 600 0С)

Излучение С02-лазера сильно поглощается ситаллами СТ-50, поэтому плавление кристаллов происходит при движении вглубь изотермы плавления. При малом размере области воздействия do фронт плавления останавливается на глубине, равной менее

половины do. Поэтому применение YAG: Nd-лазера позволяет формировать МЛ с такими соотношениями диаметр/глубина, которые недоступны при использовании С02-лазера.

В зоне лазерного локального облучения стеклокерамик всегда возникают остаточные термонапряжения [1, 5, 7-9], которые неизбежно приводят к растрескиванию

ситаллов. Для их снижения требуется дополнительный нагрев образцов до температур 600-1000 0С.

Сквозное проплавление пластины СТ-50 толщиной 0,6 мм излучением YAG: Nd-лазера в наших экспериментах происходит при q ~ 8-107Вт/м2, при Tnp = 600 0С и

приq ~ 1,5-107 Вт/м2, при Tnp = 1 150 0С, а при применении С02-лазера q ~ 107Вт/м2

[5-7, 10-12]. Проведенные эксперименты по аморфизации СТ-50 как С02, так и YAG: Nd-лазером при одинаковой поглощенной объемной плотности мощности показали, что при использовании YAG: Nd-лазера для приповерхностной аморфизации достаточно qYAG:Nd = 5,9-106Вт/м2 (Tnp = 650 0С), а эквивалентная ей qC°2 = 1,3-106Вт/м2

для аморфизации СТ-50 слишком мала ( Tnp = 1100 0С).

При использовании YAG: Nd-лазера при температуре выше 1600 0С ситалл в области воздействия при наличии яркого факела модифицировался в непрозрачную структуру черного цвета. Эта температура близка к температуре плавления кристаллов рутила (1836 К [5, с. 11]). Эта модификация возникает при q ~ 15,3-107 Вт/м2

( Tnp = 600 0С) ипри q ~ 6,7-107 Вт/м2 (Tnp = 1 150 0С).

Геометрические и оптические параметры микролинз

Существует зависимость от температуры предварительного подогрева Tnp не только требуемой плотности мощности излучения q, но и размеров области аморфизации d. Так, при использовании YAG: Nd-лазера при Tnp = 1 150 0С аморфизация происходит уже при q = 5-107Вт/м2 (d = 0,9 мм), при Tnp = 600 0С требуется q = 12,5-107 Вт/м2 (d = 0,5 мм) при диаметре сечения пучка излучения в плоскости обработки do = 0,5 мм и времени обработки 8 с.

На рис. 5 приведены экспериментальные зависимости d от времени воздействия излучения t. Наличие максимума может быть объяснено влиянием обратной кристаллизации ситалла [1].

500

400

и 300 S

чз

200 100 0

0 5 10

t, сек

Рис. 5. Обобщенные зависимости d(t) при обработке СТ-50 YAG: Nd-лазером

Кривые рис. 6 также иллюстрируют зависимость размеров сформированных МЛ от q. Стрелки прогиба Н, возникающие на поверхности материала (см. рис. 6), также с увеличением времени воздействия сначала возрастают, а затем уменьшаются. Причиной этого может быть растекание расплава по поверхности пластины за границы области аморфизации (см. рис. 2).

15

* 10 S

¡эц

5

со стороны в оздействия

-- ---изл учения

с обр иной стороны

--1- -1- -1—

10

t, сек

Рис. 6. Обобщенные зависимости H

Тот факт, что стрелки прогиба со стороны, на которую воздействует излучение, больше, чем с противоположной, может быть объяснен исходя из особенностей формирования МЛ излучением YAG: Nd-лазера. При небольших длительностях воздействия аморфизированная область еще не является сквозной по глубине пластины. Расплав, занимающий больший объем, чем исходный микрокристаллический материал, не имеет иных путей движения, кроме как на ту поверхность, на которую воздействует излучение. При проплавлении насквозь силы тяжести недостаточно для формирования большей стрелки прогиба снизу горизонтально расположенной заготовки.

Проведенные эксперименты позволяют выявить закономерности изменения параметров МЛ от температуры предварительного подогрева, плотности мощности излучения, времени воздействия, размера сечения пучка в плоскости обработки.

Одним из наиболее важных параметров линзы является ее фокусное расстояние. Зная только размеры стрелок прогиба и диаметров области аморфизации на поверхностях пластины, расчет фокусного расстояния МЛ через ее геометрические параметры производить нельзя, так как профиль поверхностной линзы - несферический.

Теоретическое фокусное расстояние f'pac4 ближайшей сферической МЛ можно было бы приблизительно рассчитать согласно выражению [12, с. 111]:

1

(

где

f

J va*

R =

=

11

\

V R1

R

+

2 0

(no - n1/ П0 R1R2

L.

d2 + 4H2 8H

Здесь Я1 и Я2 - радиусы кривизны поверхностей поверхностных линз, Их и Н2 -стрелки прогиба поверхностных шаровых сегментов, и ё2 - диаметры области аморфизации на поверхностях пластины, по - показатель преломления МЛ (по = 1,585

0

0

5

[1, 2]), п1 - показатель преломления воздуха (окружающей среды) (п1 = 1), Ь - толщи-наМЛ (Ь = 0,6 мм).

Фокусные расстояния МЛ могут быть определены экспериментально по методу, описанному в работе [13]. Результаты измерения реального значения фокусного расстояния /'мл и /' представлены в табл.

t , с fL, мм f^, мм f'm, мм fDn, мм

1 3,18 0,53 2,07 0,55

3 3,07 0,88 3,49 0,84

4 2,43 2,43 2,95 1,43

Таблица. Фокусные расстояния некоторых МЛ, найденные разными методами (образцы получены при q = 14,8107 Вт/м2, do = 100 мкм, Tnp = 1 150 °Си различных

временах воздействия t )

В [11] указывается на возможность возникновения градиента показателя преломления, обусловленного изменением структуры стеклофазы и термохимическими процессами в поверхностном слое расплава при неоднородном нагреве, что может повлиять на величину фокусного расстояния. Исходя из особенностей формирования МЛ, следует предположить наличие как радиального, так и осевого градиентов показателей преломления. Под градиентом показателя преломления Dn понимается разность показателей преломления аморфизированного объема в центре МЛ и на ее краю.

Оценка влияния градиента показателя преломления на величину фокусного расстояния МЛ, полученных методом ЛАСК с использованием С02-лазера, была дана в [14]. Полученные согласно описанной в [14] методике результаты расчета фокусных расстояния плоскопараллельных пластин f'nn, полученных сошлифовкой выпуклостей МЛ,

и фокусных расстояний имевшихся, ныне обработанных МЛ f'tnn с учетом параболического профиля Dn представлены в таблице.

Введение в расчет Dn привело к значительному расхождению в результатах экспериментального измерения f'Mn и расчета f'tnn, что может быть связано с особенностями формирования МЛ. Линза формируется послойно и, по-видимому, каждому слою соответствует свой Dn. Максимальный Dn должен быть в слое, граничащем с входной поверхностью, а минимальный - в слое, граничащем с выходной поверхностью пластины Dn, определяемый из f'tnn, близко соотносится c аналогичными данными, полученными в [14].

Заключение

В работе показана возможность создания двояковыпуклых микролинз методом лазерной аморфизации ситалла СТ-50 при воздействии излучения YAG: Nd-лазера. При использовании YAG: Nd-лазера возможно получение областей аморфизации с размерами меньше и глубинами аморфизации больше, чем у тех областей аморфизации, которые сформированы при использовании С02-лазера.

По результатам работы можно сделать следующие выводы.

(1) При плотности мощности YAG: Nd-лазера от 6-106 до 15-107 Вт/м2 и предварительном нагреве образцов до температуры от 500 до 1200 0С может быть осуществлен режим аморфизации ситалла СТ-50. При превышении определенного порога температуры происходит модификация CK в непрозрачную структуру черного цвета.

(2) Глубина области аморфизации при использовании С02-лазера зависит от размера поперечного сечения пучка в плоскости обработки и приложенной плотности мощности, а для YAG: Nd-лазера - от времени воздействия на материал.

(3) Параметры формируемых МЛ зависят от температуры предварительного подогрева, плотности мощности излучения, времени воздействия, размера сечения пучка в плоскости обработки.

Автор благодарит за поддержку экспериментов и помощь в написании данной работы своего научного руководителя профессора В.П. Вейко и доцента Г.К. Костюк.

Работа выполнена при поддержке «Гранта президента Российской Федерации на ведущую научную школу НШ-1370.2003.8», гранта РФФИ 04-02-16611а и Госконтракта 02.445.11.7108.

Литература

1. Veiko V.P., Kieu Q.K. Phase-structural transformations of Glass-ceramics under laser heating as a way to create new micro-optical components and materials. // Proceedings of SPIE. 2004. Vol. 5399. P.11-20.

2. Скиба А.П., Волков В.П., Сечко А.Г. и др. Оптические элементы, полученные методом аморфизации ситаллов. // Оптико-механическая промышленность. 1991. № 9. C. 59-62.

3. Бондаренко А.В., Волков В.П., Емельянов А.В., Непокойчицкий А.Г., Сечко А.Г., Скиба П.А. Возможности использования ситалловых микролинз в системах обработки оптической информации. // Лазеры и оптическая нелинейность (Материалы IX Белорусско-литовского семинара). Минск: Институт физики им. Б.И. Степанова, 1989. С.106-109.

4. Вейко В.П. Лазерная технология формирования дифракционных оптических элементов. // Известия РАН. Серия физическая. 1992. № 6. С. 169-176.

5. Скиба П.А. Лазерная модификация стекловидных материалов. Минск: БГУ, 1999.

6. Skiba P.A., Volkov V.P., Predko K.G., Veiko V.P. Laser-stimulated local change of glass-ceramic optical properties. // Optical Engineering. 1994. Vol. 33. № 11. P.3572-3577.

7. Скиба П. А., Каранчук Д.Я. Оптимизация процессов лазерного формирования оптических элементов на основе стеклокерамики. // Известия вузов. Приборостроение. 2004. Т. 47. № 10. С.14-20.

8. Veiko V.P., Yakovlev E.B. Physical fundamentals of laser forming of micro-optical components. // Optical Engineering. 1994. Vol. 33. № 11. P.3567-3571.

9. Veiko V.P., Kieu Q.K., Nikonorov N.V. Laser modification of glass-ceramics structure and properties: a new view to traditional material. // Proceedings of SPIE. 2004. Vol. 5662. P.119-128.

10. Бережной А.И. Ситаллы и фотоситаллы. M.: Машиностроение, 1966.

11. Мак А.А. Митькин В.М., Петровский Г.Т. Формирование градиента показателя преломления световым излучением. // Доклады академии наук СССР. 1986. Т. 287. № 4. С. 845-848.

12. Кругер М.Я., Панов В.Я., Кулагин В.В. и др. Справочник конструктора оптико-механических устройств. Л.: Машиностроение, 1968.

13. Костюк Г.К., Рачинская А.Н. Определение фокусного расстояния оптических элементов размером менее 1 мм. // В печати.

14. Вейко В.П., Костюк Г.К., Рачинская А.Н. Градиент показателя преломления в микрооптических элементах на основе лазерной аморфизации стеклокерамик. // В печати.