Исследование морфологии зоны лазерного пробоя в стекле К8

2006 ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА.

Сер. 4

Вып. 1

ФИЗИКА

УДК 535:621.373

В. Е. Евтихеев, В. М. Немец, С. С. Ошемков

ИССЛЕДОВАНИЕ МОРФОЛОГИИ ЗОНЫ ЛАЗЕРНОГО ПРОБОЯ В СТЕКЛЕ К8

Значительное внимание, которое уделялось изучению объемного лазерного пробоя и возникновения дефектов в прозрачных диэлектриках, связано с определением значений лучевой прочности материалов, использовавшихся в качестве различных элементов в мощных лазерных системах [1, 2]. При этом основная цель исследований заключалась в определении физических процессов, приводящих к развитию пробоя, и в поиске способов снижения вероятности возникновения дефектов, существенно снижающих характеристики лазерных систем [3-7].

Вместе с тем в последнее время в связи с быстрым развитием лазерной, компьютерной и точной позиционирующей техники появилась возможность создания технологий обработки прозрачных диэлектриков с использованием явления объемного лазерного пробоя. Такие технологии могут быть применены в различных областях: для трехмерной записи информации [8], изготовления трехмерных дифракционных оптических элементов [8, 9], нанесения прецизионных меток, трехмерной художественной обработки стекла и других прозрачных материалов [10] и т.д. Характеристики как разрабатываемых технологий (разрешающая способность и производительность), так и свойства изделий (эффективность светорассеяния) зависят от размеров и структуры образующихся дефектов. Поэтому необходимы исследования всех факторов, влияющих на их форму и размеры, - как параметров лазерного излучения и условий его фокусировки, так и свойств облучаемой среды.

Целью данной работы является анализ зависимости структуры и размеров дефектов, появляющихся в результате пробоя в стекле К8 под действием импульсов нано-секундной длительности, от длины волны лазерного излучения, энергии импульса и условий фокусировки излучения. Это, в частности, позволит установить разрешающую способность технологии формирования трехмерных структур в прозрачных образцах.

Методика эксперимента. Исследования проводились на созданной экспериментальной установке (рис. 1), которая включает лазер на алюмоиттриевом гранате с неодимом (1), телескопический расширитель пучка (2), поворотное зеркало (5), фокусирующий объектив (4) с устройством перемещения (5) в направлении лазерного луча (£) и систему перемещения (6) исследуемого образца (?) в плоскости XV, перпендикулярной лазерному лучу.

Управление работой установки осуществлялось с помощью компьютера (8) через интерфейс (9).

Лазер работает в режиме модулированной добротности и генерирует импульсы длительностью 15 не с энергией до 10 мДж на длине волны 1060 нм с частотой повторения до 50 Гц. Режим генерации на одной поперечной моде ТЕМоо обеспечивается помещением в резонатор

© В. Е. Евтихеев, В. М. Немец, С. С. Ошемков, 2006

Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки. Объяснения в тексте.

лазера круговой диафрагмы диаметром 2,5 мм. Вторую гармонику излучения (532 нм) получали с помощью кристалла - удвоителя частоты. При этом энергия в импульсе достигала 3 мДж. Телескопическая система, собранная по схеме Галилея, обеспечивает десятикратное увеличение диаметра пучка. Для фокусировки излучения в объеме стекла использовали объективы с фокусным расстоянием от 50 до 100 мм, наиболее часто применяющиеся в технологиях декоративной внутриобъемной обработки прозрачных материалов. Измерение энергии лазерных импульсов осуществляли измерителем средней мощности лазерного излучения ИМО-2 при помещении датчика прибора между фокусирующим объективом и исследуемым образцом. Образец перемещается с помощью двухкоординатного подвижного стола с шаговыми двигателями. Разрешение по обеим координатам составляет 10 мкм. Перемещение объектива в направлении лазерного луча осуществляется однокоординатной подвижкой с шаговым двигателем с разрешением 10 мкм, что обеспечивает минимальное перемещение фокуса объектива в стекле 15 мкм.

Программное обеспечение позволяет осуществлять относительное перемещение точки фокуса объектива и образца по заданному закону, тем самым синхронизовать работу перемещающих устройств и лазера и, таким образом, формировать заданные трехмерные структуры в объеме прозрачного образца.

Методика эксперимента заключалась в следующем. Излучение лазера фокусировалось внутри прозрачного образца на глубине 10 мм от поверхности. В качестве объекта исследования было выбрало оптическое стекло К8, обычно применяющееся для создания трехмерных декоративных изображений. В экспериментах использовались полированные со всех граней образцы стекла К8. Таким образом обеспечивалась возможность наблюдения зоны поражения в направлении как распространения лазерного луча, так и в перпендикулярном к нему. Перемещая образец в плоскости ХУ, формировали линейный или плоский массив зон поражения с заданным расстоянием между ними. С помощью микроскопа МБИ-2 измеряли размеры зон поражения, сформированные при варьировании энергии лазерного импульса, длины волны излучения, диаметра лазерного пучка на входе объектива и фокусного расстояния объектива.

Экспериментальные результаты и их обсуждение. Типичный вид зоны разрушения стекла К8, образующейся в результате пробоя импульсами наносекундной длительности при фокусировке излучения объективами с малой числовой апертурой

а

б

Рис. 2. Типичный вид зоны поражения в стекле К8 импульсом 10-наносекундной длительности (энергия импульса Е„мп = 1,5 мДж, Л = 1060 нм, Р = 100 мм, й 10 мм).

а - вид сбоку, б - вид со стороны распространения лазерного луча. Расстояние между точками 240 мкм.

(менее 0,25), представлен на рис. 2 (под числовой апертурой подразумевается отношение диаметра пучка с1 к фокусному расстоянию объектива .Р).

Видно, что зона разрушения состоит из центральной оплавленной части и зоны растрескивания вокруг нее. Первая образуется в результате самофокусировки лазерного луча и нагрева стекла за счет нелинейного поглощения излучения на переднем фронте лазерного импульса. С увеличением плотности энергии в центральной (во времени) части пучка зона поражения распространяется навстречу лазерному лучу [11], и кроме оплавления образца происходит формирование микротрещин из-за роста энерговыделения и превышения порога механической прочности стекла. Как видно из рис. 2, зона поражения имеет осесимметричную, вытянутую вдоль направления распространения лазерного луча форму, что связано с самофокусировкой пучка и приводит к ухудшению разрешающей способности технологии обработки стекла вдоль этого направления. Значительно уменьшить влияние самофокусировки пучка на формирование зоны поражения образца можно в условиях специальной ортогональной фокусировки излучения [12], которая, однако, не позволяет получать зоны поражения на достаточно большой глубине под поверхностью образца, что значительно ограничивает возможности ее применения для трехмерной обработки прозрачных образцов.

Диаметр оплавленной области в центре зоны поражения при заданных условиях фокусировки излучения (величин Ряд) практически не зависит от энергии импульса и составляет около 10-20 мкм. Эксперимент показал, что размеры и количество образующихся микротрещин, а следовательно, и общий диаметр зоны поражения при заданных условиях фокусировки существенно зависят от энергии лазерного импульса.

При сравнении зон поражения при различных энергиях импульсов было выявлено, что вне зависимости от энергии импульса дальний от поверхности образца (или дальний по направлению распространения лазерного пучка) край зоны поражения локализуется на одной и той же глубине под поверхностью образца. Уменьшение длины зоны поражения при снижении энергии импульса происходит за счет ее края, ближнего к поверхности образца. Таким образом, зона поражения начинает формироваться с дальней по ходу луча точки при достижении пороговой плотности мощности пробоя

вследствие самофокусировки пучка на переднем фронте импульса и распространяется навстречу лазерному лучу. При этом область наибольшего растрескивания соответствует максимальной мощности лазерного импульса. Эти выводы согласуются с результатами работы [13] по изучению динамики лазерного пробоя с помощью высокоскоростной фотографии.

Разрешающая способность технологии трехмерной обработки стекла определяется минимальным допустимым расстоянием между зонами поражения, формирующими заданную трехмерную структуру, при котором не происходит разрушения всего стеклянного образца. Как показали проведенные нами эксперименты, нарушение целостности образца наступает в случае перекрывания соседних зон поражения. Таким образом, минимальное расстояние не может быть меньше размера элементарной зоны поражения. Поскольку зона поражения имеет осевую симметрию относительно направления распространения лазерного луча, разрешающая способность технологии в плоскостях, перпендикулярных лазерному лучу и в направлении его распространения, будет различной. С целью установления разрешающей способности технологии формирования трехмерных структур в объеме стекла К8 были исследованы зависимость длины и диаметра зоны поражения от параметров лазерного излучения и условий его фокусировки: энергии лазерного импульса и диаметра лазерного пучка при фокусировке излучения с длиной волны 532 нм объективом с фокусным расстоянием 100 мм (рис. 3, а, б).

Диаметр пучка варьировали в пределах от 10 до 25 мм с помощью диафрагмы, установленной после телескопического расширителя. Входная апертура объектива составляла 25 мм, и уменьшение диаметра пучка приводило к понижению действующей числовой апертуры объектива. Как видно из рис. 3, а, длина зоны поражения в первом приближении линейно зависит от энергии импульса, причем, как отмечено выше, ее удлинение при росте энергии происходит навстречу лазерному лучу.

Из рис. 3, б следует, что длина зоны поражения резко становится меньше при возрастании диаметра лазерного пучка на входе объектива. Это связано с тем, что длина каустики пучка растет обратно пропорционально квадрату числовой апертуры объектива.

Таким образом, минимальной длины зоны поражения, а следовательно, максимальной разрешающей способности технологии трехмерной обработки стекла в направлении лазерного луча можно добиться, увеличивая действующую числовую апертуру объектива и снижая энергию импульса. В наших условиях минимальная длина зоны поражения (около 120 мкм) достигается при использовании припороговых значений энергии импульса (£имп = 0,2 мДж) и полном заполнении апертуры объектива.

В то же время полный диаметр зоны поражения, включающий зону растрескивания, зависит только от энергии импульса и не зависит от действующей числовой апертуры объектива (рис. 3, в). По-видимому, это связано с тем, что полный диаметр зоны поражения определяется длиной микротрещин, обусловленной только величиной энергии импульса. Необходимо отметить, что с увеличением действующей апертуры объектива одновременно с уменьшением длины зоны поражения возрастает количество микротрещин на единицу длины. Минимальный диаметр зоны поражения достигается в случае припороговых значений энергии лазерного импульса и равен 60 мкм. Таким образом, при использовании наносекундных импульсов излучения второй гармоники излучения лазера на алюмоиттриевом гранате (Л = 532 нм) разрешающая способность технологии формирования трехмерных структур в плоскости, перпендикулярной лазерному лучу, равна 60 мкм.

В случае применения излучения основной гармоники лазера на алюмоиттриевом

б

О 0,5

1,5 2 2,5 3 3,5 £цмп> мДж

/, мкм 800 г

600

400

200

10

15

20

25 Д мм

Рис. 3. Изменение характеристик зоны поражения.

а - зависимость длины зоны поражения от энергии импульса и диаметра пучка, Л = 530 нм, Р = 100 мм: 1 - £> = 10 мм, 2 - £> = 12 мм, 3 -£) =- 19 мм, 4 ~ О — 25 мм; б - зависимость длины зоны поражения от диаметра пучка при •Еимп = 0,5 мДж, Л = 530 нм, .Р = 100 мм; в -зависимость диаметра зоны поражения от энергии импульса и диаметра, пучка, Л = 530 нм, Р = 100 мм; г - зависимости диаметра (1) и длины (2) зоны поражения от энергии импульса, Л = 1060 нм, Р = 80 мм, £> = 10 мм; д - зависимости диаметра (1) и глубины (2) зоны поражения от числа (п) лазерных импульсов в одну точку, Л = 1050 нм, Еимп = 0,8 мДж, Г = 80 мм, £> = 10 мм.

25 мм

шО = 19 мм

£> = 12 мм

10 мм

2,5

, мДж

/, с/, мкм

800 г

600 400 200 0

0,60 0,8

/, с/, мкм 1000

800 600 400 200 0

1,00 1,20 1,40 1,60 £имп, мДж

20

30

40 п

гранате (Л = 1060 нм) зависимости размеров зоны поражения от энергии и условий фокусировки качественно такие же, как и при использовании излучения второй гармоники. Это иллюстрирует рис. 3, г, на котором приведены зависимости диаметра и длины зоны поражения от энергии при облучении стекла К8 10-наносекундным импульсом излучения на длине волны 1060 нм.

Из сравнения рис. 3, а, в и г вытекает, что при одной и той же энергии импульса диаметр зоны поражения в случае пробоя излучением основной гармоники больше, чем в случае второй гармоники. Это объясняется большим диаметром пятна фокусиров-

ки при увеличении длины волны излучения. В то же время длина зоны поражения, определяемая ее центральной оплавленной частью, при одинаковой энергии импульса больше, когда Л = 532 нм, что, по-видимому, можно объяснить квадратичной зависимостью критической мощности самофокусироки от длины волны излучения [14]. Однако минимальные размеры зоны поражения, достигаемые в случае припороговых энергий импульса, оказываются меньше при использовании излучения с А = 532 нм из-за значительно более низкого порога пробоя (0,2 мДж) на этой длине волны по сравнению с порогом пробоя для Л = 1060 нм (0,7 мДж).

При формировании трехмерных структур в стекле во многих случаях необходимо варьировать размеры зоны поражения. Один из способов заключается в изменении числа импульсов излучения в одну точку образца. На рис. 3, д видно, что увеличение диаметра зоны поражения происходит в течение первых пяти импульсов, в то время как ее длина продолжает возрастать приблизительно до 15 импульсов. Длина микротрещин, определяющая диаметр зоны поражения, увеличивается до тех пор, пока до точки максимального растрескивания, образованной предыдущими импульсами, доходит и фокусируется в ней достаточная для пробоя энергия импульса, так как с ростом длины зоны поражения и количества микротрещин значительная часть излучения пучка рассеивается на пути до этой точки. "Удлинение зоны поражения обусловлено снижением порога пробоя в верхней части стекла, через которую проходит излучение каждого из серии импульсов в результате так называемого «эффекта накопления» [6]. Однако оно не приводит к возрастанию диаметра зоны поражения из-за малой плотности энергии в зоне пробоя. Таким образом, максимальные размеры диаметра и длины зоны поражения в случае многоимпульсного облучения по сравнению с одноимпульсным режимом могут быть увеличены примерно в 2 и 4 раза соответственно.

Что касается минимальных размеров зоны поражения, то они достигаются в случае припороговой энергии импульса. Пороговая энергия возникновения пробоя увеличивается с ростом длины волны излучения и снижается с повышением числовой апертуры пучка. В наших условиях минимальные диаметр и длина зоны поражения обеспечивались при использовании излучения второй гармоники лазера (532 нм) и диаметра пучка на входе объектива 25 мм при фокусном расстоянии 100 мм. В этом случае пороговая энергия составляет 0,2 мДж, а диаметр зоны поражения - около 60 мкм при ее длине приблизительно 120 мкм. Достижение меньших размеров зоны поражения связано с необходимостью применения импульсов излучения, имеющих более короткие длительность и длину волны.

Полученные данные позволяют установить область достижимых размеров зоны поражения в технологии формирования трехмерных структур в стекле К8 импульсами наносекундной длительности и оптимизировать условия пробоя при формировании в стекле трехмерных рельефов.

Summary

Evtikheev V. Е., Nemets V. M., Oshemkov S. S. Investigation of laser breakdown zone mor-phology in K8 glass.

Dependence of size and structure of a laser breakdown zone in K8 glass, formed by nanosecond laser puises, on wavelength, puise energy and focusing conditions is investigated. Spatial resolution of technology for 3D structure formation in transparent samples is obtained.

Литература

1. Giulia.no С. R.//Appl. Phys. Lett. 1964. Vol. 5, N 7. P. 137-139. 2. Рэди Док. Действие

лазерного излучения / Пер. с англ. В. А. Баталова, И. К. Красюк; Под ред. С. И. Анисимова. М., 1974. 3. Fradin D., Bass М. // Appl. Phys. Lett. 1973. Vol. 22, N 5. P. 206-208. 4. Fradm D. // Appl. Optics. 1973. Vol. 12, N 4. P. 700-709. 5. Дышко A. Л., Луговой В. H., Прохоров А. М. // Письма в Журн. экспер. и теор. физики. 1967. Т. 6, о. С. 655-€59. 6. Восый О. Н., Ефимов О. М. Ц Квант, электроника. 1996. Т. 22, № 8. С. 737-742. 7. Колдунов М. Ф., Маненков А. А., Покотило И. Л.. // Квант, электроника. 1997. Т. 24, № 10. С. 944-948. 8. Glezer Е. N., Milosavljevic М., Huang L. et al. // Opt. Lett. 1996. Vol. 21. P. 2023-2025. 9. Glezer E. N., Mazur E. // Appl. Phys. Lett. 1997. Vol. 71, N 6. P. 882-884. 10. Oshemkov S. V., Drnitriev V. Yu., Guletsky N. N. //Abstr. Intern. Conf. "Laser Engineering and Applications". St.Petersburg, 1996. P. 84. 11. Дышко А. Л., Луговой В. H., Прохоров A.M.// Докл. АН СССР. 1969. Т. 188, JV» 4. С. 792-794. 12. Глебов Л. Б., Ефимов О. М., Либенсон М. II., Петровский Г. Т. //Докл. АН СССР. 1986. Т. 287, № 5. С. 1114-1118. 13. Guliano С. R., Marburger J. N. // Phys. Rev. Lett. 1971. Vol. 27, N 14. P. 905-908. 14. Марьин А. В., Радченко В. В., Ясъко Т. Н. // Квант, электроника. 1991. Т. 18, № 1. С. 81-83.

Статья поступила в редакцию 7 июля 2005 г.