СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ОТВЕРСТИЙ В ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНОЙ ПЛЕНКЕ СВЕРХКОРОТКИМ ИМПУЛЬСОМ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD AND DEVICE FOR FORMING PRECISION HOLES IN OPTICALLY TRANSPARENT FILM WITH ULTRA-SHORT LASER RADIATION PULSE

Изобретение относится к области квантовой электроники, к лазерной обработке материалов, а именно к формированию прецизионных отверстий в оптически прозрачной пленке сверхкоротким импульсом лазера.
-13
В последние годы значительно увеличилось число публикаций о применении лазеров со сверхкоротким импульсом для обработки материалов. Применение лазеров с импульсом длительностью до 10 с имеет преимущество, так как сверхкороткий импульс лазера оказывает точечное воздействие.
Известен патент США №7807942, в котором для формирования цилиндрического отверстия сверхкоротким импульсом лазера используется специальный объектив, увеличивающий глубину фокуса системы для формирования цилиндрических отверстий (полостей) в прозрачном материале. Однако такой объектив является дорогим, сложным в юстировке и чувствительным оптическим элементом.
Известна заявка WO2013138802, в которой описан метод обработки прозрачного материала лазерным лучом. В этом методе луч фокусируют в объем образца на расстоянии от поверхности и производят разрушение в образце за счет эффекта самофокусировки. Однако при самофокусировке или самоканалировании только около 15% энергии пучка фокусируется в канал, формирующий разрушения в материале. Сам канал является нестабильным образованием из-за нелинейности эффекта самофокусировки. Этот метод позволяет разрушить или ослабить объемный материал, но непригоден для формирования прецизионных отверстий в пленке.
Задачей изобретения является разработка установки и способа формирования цилиндрических отверстий диаметром не более 5 мкм в пленке толщиной до 100 мкм.
Способ формирования прецизионных отверстий в оптически прозрачной пленке толщиной до 100 мкм включает воздействие на оптически прозрачную пленку сверхкороткими лазерными импульсами, пленку помещают в прозрачную для лазерного излучения жидкую среду с коэффициентом преломления не менее 1,5 и импульсы фокусируют посредством оптической системы с объективом с числовой апертурой не менее 0,33 или пленку располагают за пластиной из прозрачного для лазерного излучения материала с коэффициентом преломления не менее 1,5 и импульсы фокусируют посредством оптической системы с объективом с числовой апертурой не менее 0,5, при этом пленку располагают на расстоянии от объектива большем, чем фокусное расстояние упомянутой системы при параксиальной аппроксимации, а при фокусировке импульсов через жидкую среду или пластину получают фокальную перетяжку с длиной, пропорциональной толщине слоя жидкой среды до фокуса при параксиальной аппроксимации или пропорциональной толщине пластины из прозрачного материала, и большей толщины оптически прозрачной пленки, причем упомянутую пленку помещают в фокальную перетяжку с перекрытием части пленки и формируют в ней отверстие, а энергию сверхкороткого лазерного импульса устанавливают из условия обеспечения плотности энергии лазерного излучения, превышающей порог разрушения материала пленки в области фокальной перетяжки. При фокусировке импульса лазера объективом в глубине прозрачного для лазерного излучения материала с коэффициентом преломления больше 1 периферийные лучи фокусируются не в сферу с малым диаметром, а в цилиндрический объем или фокальную перетяжку, возникающую за счет преломления лучей на границе воздух-материал. Длина фокальной перетяжки, в которой возникают условия разрушения материала, Δ определяется по формуле
d
где n - коэффициент преломления материала; NA - числовая апертура объектива; f - глубина фокуса в материале при параксиальной аппроксимации. Диаметр фокальной перетяжки пропорционален длине волны. При плотности энергии в фокальной перетяжке большей, чем плотность энергии связи молекул материала, во всем цилиндрическом объеме возникают условия для разрушения материала. Длина фокальной перетяжки пропорциональна толщине слоя среды до фокуса при параксиальной аппроксимации. Если пленка расположена в прозрачной для лазерного излучения жидкой среде с коэффициентом преломления не менее 1,5 и импульсы сфокусированы посредством оптической системы с числовой апертурой не менее 0,33 или если пленка расположена за пластиной из прозрачного для лазерного излучения материала с коэффициентом преломления не менее 1, 5 и импульсы фокусируют посредством оптической системы с объективом с числовой апертурой не менее 0,5, длину фокальной перетяжки можно сделать больше, чем толщина оптически прозрачной пленки. При размещении оптически прозрачной пленки в области фокальной перетяжки так, чтобы фокальная перетяжка перекрывала часть пленки (по площади), в которой формируется отверстие, и подаче энергии импульса такой, чтобы плотность энергии лазерного излучения в области фокальной перетяжки превышала порог разрушения материала пленки, отверстие в пленке можно получить одним импульсом лазера. Необходимо отметить, что в фокальную перетяжку в зависимости от значений апертуры, коэффициента преломления, глубины фокусировки можно сфокусировать до 40% энергии импульса. Предлагаемый способ позволяет предсказуемо, с эффективным использованием энергии лазерных импульсов формировать прецизионные отверстия в оптически прозрачной пленке толщиной до 100 мкм, причем каждое отверстие может быть сформировано одним импульсом.
Устройство формирования прецизионных отверстий в оптически прозрачной пленке толщиной до 100 мкм сверхкороткими импульсами лазерного излучения, содержащее источник сверхкоротких импульсов лазерного излучения, оптическую систему формирования и ведения луча с объективом с числовой апертурой не менее 0,33, снабжено кюветой с жидкой средой с коэффициентом преломления не менее 1,5 и системой перемещения упомянутой пленки по меньшей мере по одной координате и размещения пленки между фокусом объектива при параксиальной аппроксимации и фокусом граничных периферийных лучей. Пленка и жидкая среда прозрачны для лазерного излучения. При фокусировке импульса лазера объективом через жидкую среду периферийные лучи фокусируются в цилиндрический объем или фокальную перетяжку, возникающую за счет преломления лучей на границе воздух-материал жидкой среды. Длина фокальной перетяжки, в которой возникают условия разрушения материала, определяется по формуле (1) и пропорциональна толщине слоя жидкой среды до фокуса при параксиальной аппроксимации. При величине апертуры объектива не менее 0,33 и коэффициенте преломления жидкой среды не менее 1,5 длину фокальной перетяжки можно сделать больше толщины пленки. Система перемещения пленки по меньшей мере по одной координате и размещения пленки между фокусом при параксиальной аппроксимации и фокусом граничных периферийных лучей позволяет разместить пленку так, чтобы фокальная перетяжка перекрывала всю пленку. При плотности энергии в фокальной перетяжке большей, чем плотность энергии связи молекул материала, во всей фокальной перетяжке, представляющей собой цилиндрический объем с высоким аспектным соотношением, возникают условия для разрушения материала, и прецизионное отверстие в пленке можно получить одним импульсом лазера. Области разрежения, которые могут возникнуть в жидкости вследствие эффекта самофокусировки при воздействии сверхкороткого импульса лазерного излучения, исчезают, требуемое отверстие получается только в пленке. Жидкость можно использовать в течение длительного времени для формирования множества прецизионных отверстий в пленке. Для большинства технологических задач нужно, чтобы в пленке было выполнено множество отверстий, для чего необходимо относительное перемещение пленки и положения фокальной перетяжки. Это можно осуществить, перемещая пленку по меньшей мере по одной координате. Такое устройство является надежным и может работать долгое время без замены среды, является эффективным инструментом формирования прецизионных отверстий в оптически прозрачных пленках.
Устройство содержит пластину с коэффициентом преломления, равным коэффициенту преломления жидкой среды, установленную на поверхности жидкой среды. На поверхности жидкости могут появляться волны, брызги. Для защиты объектива и для исключения помех, вызванных поверхностными волнами, на поверхности жидкости установлена прозрачная пластина с коэффициентом преломления, равным коэффициенту преломления жидкой среды.
Жидкой средой является раствор NaCl в воде. Одним из вариантов устройства является использование в качестве жидкой среды раствора NaCl в воде. Меняя концентрацию раствора, можно подобрать коэффициент преломления раствора, равный коэффициенту преломления пластины, установленной на поверхности жидкой среды между жидкой средой и объективом.
Оптическая система формирования и ведения луча содержит систему сканирования по меньшей мере по одной координате. Такую систему можно использовать для формирования множества отверстий в пленке. Перемещение пленки по одной координате и сканирование лучом является оптимальным решением для формирования множества отверстий в пленке.
Устройство формирования прецизионных отверстий в оптический прозрачной пленке толщиной до 100 мкм сверхкороткими импульсами лазерного излучения, содержащее источник сверхкоротких импульсов лазерного излучения, оптическую систему формирования и ведения луча с объективом с числовой апертурой не менее 0,5, содержит расположенную между объективом и фокусом при параксиальной аппроксимации пластину из прозрачного для лазерного излучения материала с коэффициентом преломления не менее 1,5 и систему перемещения пленки по меньшей мере по одной координате и размещения пленки между фокусом при параксиальной аппроксимации и фокусом граничных периферийных лучей. Фокус объектива при параксиальной аппроксимации расположен за пластиной, поэтому при фокусировке импульса лазерного излучения фокальная перетяжка, возникающая благодаря преломлению излучения на границе материала с коэффициентом преломления не менее 1,5, расположена вне пластины. Пластина не повреждается от воздействия сверхкороткого импульса и может быть использована в течение длительного времени. Числовая апертура объектива не менее 0,5, так как при меньшей апертуре длина фокальной перетяжки, пропорциональная толщине пластины, будет недостаточной для формирования цилиндрического отверстия в пленке одним импульсом. Для большинства технологических задач нужно, чтобы в пленке было выполнено множество отверстий. Необходимое относительное перемещение пленки и положения фокальной перетяжки можно осуществить, перемещая пленку по меньшей мере по одной координате.
Оптическая система формирования и ведения луча содержит систему сканирования по меньшей мере по одной координате. Такую систему можно использовать для формирования множества отверстий в пленке. Перемещение пленки по одной координате и сканирование лучом является оптимальным решением для формирования множества отверстий в пленке.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является создание способа и устройств, которые позволяют одним сверхкоротким импульсом излучения формировать прецизионное цилиндрическое отверстие в оптически прозрачной пленке толщиной до 100 мкм.
На Фиг. 1 представлена схема возникновения фокальной перетяжки.
На Фиг. 2 представлена схема устройства формирования отверстий, в котором пленка расположена в жидкости.
На Фиг. 3 представлена схема устройства формирования отверстий, в котором пленка расположена за прозрачной плоскопараллельной пластиной.
На Фиг. 4 представлены микрофотографии матрицы цилиндрических полостей, каждая из которых сформирована в результате одиночного импульса в объеме материала.
На Фиг. 5 представлены фотографии отверстий в оптически прозрачной пленке толщиной 50 мкм, каждое из отверстий сформировано одиночным импульсом.
d
На Фиг. 1. представлен ход лучей при фокусировке лазерного излучения объективом 1 с числовой апертурой NA в среду 2 с коэффициентом преломления n. Параллельный пучок от источника сверхкоротких импульсов лазерного излучения (на чертеже не показан) фокусируют объективом 1, установленным в воздухе. При отсутствии среды 2 лучи сфокусировались бы в точку F0, при параксиальной аппроксимации лучи фокусируются в точку F1. Периферийные лучи фокусируются в перетяжку F1F2, длина которой Δ определяется по формуле (1), где f - расстояние от поверхности среды 2 до F1. При плотности энергии импульса в области перетяжки, большей плотности энергии связи молекул материала, во всем объеме перетяжки возникают условия для разрушения материала. Цилиндрический объем разрушения длиной, равной длине перетяжки, возникает при каждом импульсе излучения. При недостаточной энергии импульса длина цилиндрической полости разрушения уменьшается, однако верхней границей полости является F1. При плотности энергии, существенно большей порога оптического пробоя, и NA<0.3 в материале возникают условия для эффекта самофокусировки, причем область разрушения распространяется в сторону объектива от точки F1.
На Фиг. 2. представлена схема устройства формирования отверстий в оптически прозрачной пленке, в котором пленка расположена в жидкости. Жидкость 4 с коэффициентом преломления n находится в кювете 6. Пленка 3 удерживается системой 7 в жидкости 4, на поверхности которой расположена пластина 5 с коэффициентом преломления n. Объектив 1 с числовой апертурой NA расположен так, чтобы фокусировать сверхкороткие импульсы лазерного излучения от источника (на чертеже не показан) в глубину жидкости. Пленка 3 имеет толщину, меньшую длины фокальной перетяжки, определяемой по формуле (1), и расположена так, чтобы фокальная перетяжка полностью перекрывала пленку 3. Фокус лучей при параксиальной аппроксимации F1 расположен перед пленкой, фокус граничных периферийных лучей F2 расположен за пленкой. При включении источника сверхкоротких импульсов лазерного излучения излучение фокусируется в фокальную перетяжку F1F2, каждый импульс создает отверстие в пленке 3. Пленка 3 удерживается на выбранном расстоянии от объектива и перемещается в жидкости 4 с помощью системы 7. Лазерная система оборудована модулем сканирования (на чертеже не показан), установленным между источником лазерного излучения и объективом 1. Модуль сканирования вместе с системой перемещения пленки 7 позволяется перфорировать пленку согласно разработанному шаблону. Полости разрежения, возникающие в жидкости при воздействии лазерных импульсов, исчезают через короткий промежуток времени. Такую систему можно использовать длительное время. Так как перфорирование пленки производится фокальной перетяжкой с длиной, большей толщины пленки, то небольшие отклонения положения пленки по вертикали не оказывают влияния на процесс.
На Фиг. 3 показана схема установки, в которой сверхкороткие импульсы лазерного излучения фокусируют объективом 1 через пластину оптически прозрачного материала 8. Пластина 8 расположена так, что геометрический фокус объектива 1 находится у поверхности пластины 8, обращенной к пленке 3. Пленка 3 удерживается системой 7 на расстоянии от объектива большем, чем фокусное расстояние системы при параксиальной аппроксимации F1. Такое расположение пластины 8 позволяет минимизировать риск разрушения пластины от фокусированного лазерного излучения. Каждый сверхкороткий импульс лазерного излучения формирует в пленке 3 отверстие. Система 7 позволяет удерживать и перемещать пленку по одной координате. Модуль сканирования (на чертеже не показан), установленный между источником излучения и объективом 1, позволяет перемещать положение фокальной перетяжки хотя бы по одной координате, что в совокупности дает возможность перфорировать пленку 3 согласно выбранной схеме.
На Фиг. 4 представлены микрофотографии матрицы цилиндрических полостей, каждая из которых получена с помощью одиночного импульса в объемном материале. Материал - поликарбонат. Лазерное излучение: длина волны 1,06 мкм, длительность импульса 350 фсек, энергия в импульсе 7 мкДж. Прошедшая энергия составила 3,5 мкДж. Объективом являлась асферическая линза с числовой апертурой NA=0,545. Коэффициент преломления материла 1,56. Глубина фокусировки 1,1 мм. Фиг. 4(а) - вид сверху в естественном свете, 4(б) - вид сбоку в естественном свете, 4(в) - вид со стороны боковой поверхности отдельной цилиндрической полости. Длина каждой полости 200 мкм, диаметр каждой полости - 2 мкм.
На Фиг. 5. представлена микрофотография вида сверху матрицы выходных отверстий в пленке материала толщиной 50 мкм в естественном свете. Объектив 54-18-23-1064 нм, NA=0.39, Special Optics. Материал пленки полипропилен. Глубина фокусировки 1,1 мм. Лазерное излучение с длиной волны 1,06 мкм, длительностью импульса 350 фсек, энергия импульса 5 мкДж. Частота следования импульсов 100 Гц, скорость сканирования 100 мкм/сек. Диаметр каждого из отверстий 5 мкм.
Предлагаемые способ и устройство позволяют формировать отверстия микронного размера в оптически прозрачных пленках.