Устройство для лазерной модификации образца

Полезная модель относится к области устройств, осуществляющих обработку поверхности материалов изделий с использованием сфокусированного пучка электромагнитного излучения, и предназначена для изменения морфологии их поверхности и оптических свойств.
В общем виде конструкция устройств обработки поверхности образцов содержит источник излучения, шасси для перемещения либо образца, относительно неподвижного луча, либо источника излучения относительно образца. Источником излучения выступает, как правило, лазер, работающий в импульсно-периодическом режиме.
Известные устройства для лазерной резки представлены в ряде патентов.
Патент US 3422246, В23K 9/00, В23K 9/16 описывает устройство с подвижным рабочим столом и жесткую систему фокусировки луча лазерного источника на обрабатываемый объект. Такое устройство позволяет осуществлять обработку только в двух координатах, что ограничивает область его применения.
Устройства в патентах US 5614115, В23K 26/08, и US 6825439 (В2), В23K 26/08, В23K 26/36, содержащие закрепленный на раме лазерный источник с возможностью перемещения вдоль одной координаты и рабочий стол с возможностью перемещения вдоль перпендикулярной координаты. Рассмотренные устройства позволяют вести обработку только в двух координатах, что ограничивает область применения.
Известно устройство для обработки лазерным излучением поверхности произвольной формы (RU 161667 U1, В23K 26/352), содержащее неподвижный рабочий стол для размещения обрабатываемого объекта, лазерную головку, размещенную над рабочим столом с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости в двух координатах, а также источник лазерного излучения, оптически связанный с лазерной головкой с помощью оптического волокна. Как и вышеупомянутые устройства для воздействия на объект обработки оно использует лазер в виде источника излучения, что не позволяет осуществлять воздействие на объект расположенного за экраном, изготовленным из определенного ряда материалов, являющихся либо непрозрачными, либо рассеивающими для широко применяемых в настоящий момент источниками излучения - лазерами.
Известно применение лазерного излучения, характеризующегося высокой плотностью энергии воздействия, для модификации поверхности и формирования изображений на материалах различной структуры, таких как бумага, картон, резина, фольга, металл и др. Известен лазерный маркер (RU 115699 U1), содержащий последовательно расположенные по ходу луча и оптически связанные лазер, коллиматор, пьезокерамический дефлектор света и объектив, сфокусированный на маркируемом изделии, установленным в коробке, расположенной на координатном столе, и компьютер, входы и выходы которого соединены с выходами и входами пьезокерамического дефлектора света и координатного стола; дополнительно установлен модулятор, который расположен между лазером и коллиматором, вход которого соединен с выходом компьютера, и второй пьезокерамический дефлектор света, установленный за первым, вход и выход которого соединены с соответствующими выходом и входом компьютера, причем плоскости сканирования пьезокерамических дефлекторов света взаимно перпендикулярны. Описанное техническое решение имеет возможность создавать изображения практически любых размеров, которые ограничены только зоной перемещений координатного стола.
Наиболее близким аналогом для заявляемой полезной модели выбран известный лазерный маркер (RU 115699 U1), включающий механизм перемещения обрабатываемого изделия, лазер, блок управления, оптическую систему фокусировки излучения лазера, устройство синхронизации. Недостатком указанного устройства является отсутствие возможности осуществлять маркировку и наносить изображения на образец при его нахождении за экраном, изготовленным из материала непрозрачного для излучения используемого лазера или сильно рассеивающего излучение лазера.
Полезная модель относится к области устройств, осуществляющих обработку поверхности материалов изделий с использованием сфокусированного пучка электромагнитного излучения. Однако такая обработка становится невозможной при нахождении перед обрабатываемым изделием экрана, изготовленного из ряда материалов, включающих различные виды пластмасс, полимеры, бумага, керамика, лакокрасочные покрытия. Указанные материалы, как правило, непрозрачны или имеют сильное рассеяние на длинах волн излучения применяемых источников - лазеров. Техническая задача решается с помощью применения источника излучения терагерцового спектра, в котором указанные материалы имеют оптические свойства (низкие коэффициент поглощения и рассеяние), позволяющие осуществить фокусировку терагерцового излучения на образец для модификации его поверхности.
Технически результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является изменение морфологии поверхности образца и его оптических свойств при его расположении за экраном, изготовленным из определенного ряда материалов, являющихся либо непрозрачными, либо рассеивающими для широко применяемых в настоящий момент источниками излучения - лазерами. К таким материалам экрана могут относиться различные виды пластмасс, полимеры, бумага, керамика, лакокрасочные покрытия.
Задача решена тем, что источник излучения выполнен с возможностью генерации импульсов терагерцового излучения сверхкороткой длительности на основе эффекта оптического выпрямления. Отличительной особенностью воздействия терагерцового излучения является возможность модификации даже в случае нахождения образца за защитным экраном или кожухом, непрозрачным в определенном диапазоне длин волн, но имеющим ненулевой коэффициент пропускания в терагерцовом спектре частот, что расширяет область применения прототипа.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется функциональной схемой, показанной на фиг. 1. Устройство для лазерной модификации образца включает в себя блок управления (1), механизм перемещения обрабатываемого образца (2), устройство синхронизации (3), лазерную систему (4), кристалл (5), систему фокусировки (6).
Предлагаемое техническое решение работает следующим образом. Блок управления (1), который включает вычислительное устройство на основе компьютера (на фиг. 1 не показано), осуществляет выполнение заданной программы обработки образца. К блоку управления (1) подсоединен механизм перемещения обрабатываемого образца (2), который состоит из приводов перемещения во взаимно ортогональных направлениях с датчиками перемещений и концевых положений (на фиг. 1 не показаны) и двухкоординатного стола для размещения обрабатываемого образца (7). Блок управления (1) соединен также с электронным устройством синхронизации (3), которое соединено с лазерной системой (4). В качестве лазерной системы (4) использована фемтосекундная лазерная система. Излучение лазерной системы преобразуется в терагерцовое в кристалле (5) и направляется в систему фокусировки (6), состоящую из телескопической системы и фокусирующего элемента (на фиг. 1 не показаны).
Устройство синхронизации (4) обеспечивает временную синхронизацию оптических импульсов лазерного излучения с электронными устройствами лазерной системы (лазеры накачки и электрооптические затворы, входящие в состав лазерной системы) (4). Позволяет формировать последовательность из заданного (изменяемого) числа лазерных импульсов, следующих с частотой работы лазерной системы, и обеспечивает временную синхронизацию внешних электронных устройств таких как видеокамера, осциллограф и т.д. с оптическим импульсом лазерной системы.
Образец (7) закрепляют на двухкоординатном столе (2). С помощью блока управления (1), который включает вычислительное устройство на основе компьютера, задается траектория перемещения образца относительно неподвижного пучка излучения. Образец (7) располагается в фокальной плоскости фокусирующего элемента системы фокусировки (6). Блок управления (1) осуществляет контроль длительности последовательности импульсов излучения, рассчитывая его на основе данных о скорости движения двухкоординатного стола и длины траектории перемещения.
Излучение лазерной системы (4), запускаемой устройством синхронизации (3) в соответствии с командами блока управления (1) направляется в кристалл (5), осуществляющим преобразование лазерного излучения в терагерцовое излучение. Последнее направляется в телескопическую систему (6), коэффициент увеличения которой подбирается так, чтобы заполнить всю апертуру фокусирующего элемента.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. Функциональная схема устройства.
Фиг. 2. Пример модификации поверхности образца.
Фиг. 3. Пример модификации поверхности образца при его облучении в двух режимах: как на фиг. 2 и вращении относительно оси пучка излучения на 90 градусов.
Осуществление полезной модели
2
В конкретных случаях выполнения устройства в качестве лазера используют фемтосекундную лазерную систему на основе активной среды хром:форстерит со следующими характеристиками: длина волны лазерного излучения 1240±30 нм, частота следования импульсов 10 Гц-1кГц, длительность импульса ~100 фс, энергия в импульсе от 100 мкДж до 80 мДж. При этом плотность энергии, создаваемая на поверхности кристалла (5), не превышает значения, приводящего к разрушению кристалла (как правило не более 15 Дж/см).
В конкретных случаях в качестве кристалла используется органический кристалл ОН1 или DSTMS, или DAST.
2
2
В результате воздействия излучения на поверхность образца импульсов терагерцового излучения с напряженностью электрического поля в фокусе системы фокусировки не менее 10 МВ/см, интенсивностью излучения - не менее 10 ТВт/см и длительностью импульса излучения не более 50 пикосекунд изменяются морфология его поверхности и оптические свойства (коэффициент отражения). Пример воздействия импульса терагерцового излучения на образец, представляющий собой слой титана толщиной 25 нанометров, напыленный на стеклянную подложку, представлен на фиг. 2. Результат представляет собой совокупность трещин, ориентированных горизонтально (перпендикулярно плоскости поляризации лазерного излучения). Морфология поверхности может быть изменена, например, при изменении ориентации образца относительно плоскости поляризации падающего излучения (поворотом образца или плоскости поляризации). Наблюдаемый результат достигается в случае, когда напряженность электрического поля излучения в фокусе системы фокусировки составляет не менее 10 МВ/см, интенсивность излучения - не менее 10 ТВт/см, а длительность импульса излучения составляет не более 50 пикосекунд.
Морфология поверхности может быть изменена, например, при изменении ориентации образца относительно плоскости поляризации падающего излучения (поворотом образца или плоскости поляризации). Пример морфологии поверхности образца, полученный в результате его последовательного облучения при горизонтальной и вертикальной (относительно плоскости рисунка) плоскости поляризации, представлен на фиг. 3.