Лазерный мир

О.С. Юльметова, А.Г. Щербак // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 5 (69), с: 28-33, УДК 681.2-2 

Приводятся результаты исследований влияния режимов лазерного маркирования на степень контрастности и микро-геометрии меток, полученных на доведенной поверхности бериллиевых узлов гироприборов. В ходе исследований выявлена возможность получения требуемого уровня контрастности 0,7±0,1 на длине волны 860 нм посредством лазерного маркирования. 

Введение

Для оптико-электронных систем съема информации c таким узлом, как ротор электростатического гироскопа, важной задачей является создание рисунка заданной контрастности [1]. При этом контрастность рисунка, описываемая соотношением (1), определяется разностью коэффициентов отражения базовой поверхности Rb и растра Rr , полученного локальной модификацией базовой поверхности.

В качестве эффективного метода локальной модификации поверхности, позволяющей создать растр с требуемым уровнем контрастности, предложено использовать лазерное маркирование. Выбор данного способа растрообразования обусловлен его устойчивостью к механическим и тепловым воздействиям, высокой стабильностью параметров (±2%), пространственной и спектральной яркостью [2].

Целью работы являлось создание рисунка на поверхности доведенного бериллиевого образца с контрастностью в пределах 0,4–0,8, получение в конечном счете требуемого уровня контрастности К=0,7±0,1 на длине волны 860 нм при минимальном изменении шероховатости растра относительно шероховатости базовой поверхности образца, составляющей по параметру среднеквадратичного отклонения профиля поверхности Rq = 0,07 мкм.

Требование к однородности шероховатости базовой поверхности и растров обусловлено тем, что в оптико-электронных системах гироскопов съем информации осуществляется в процессе вращения сферического ротора, на поверхность которого нанесен контрастный рисунок. При этом локальная неоднородность поверхностной структуры ротора может вызвать нежелательное изменение его дисбаланса.

Для достижения поставленной цели необходимо комплексное решение следующих задач:

•  выбор средств оснащения процессов лазерного маркирования и контроля качества растрового рисунка;
• выявление особенностей физической сущности процесса лазерного маркирования, влияющих на степень оптического контраста и шероховатость модифицированного слоя;
• исследование влияния мощности лазерного излучения на уровень контрастности и шероховатости модифицируемого слоя;
• определение корреляции контрастности и шероховатости лазерных меток со скоростью движения сканатора;
• оценка влияния плотности линий на однородность, контрастность и шероховатость лазерного рисунка.

Выбор средств оснащения процессов лазерного маркирования и контроля качества растрового рисунка.

Для создания рисунка использовалась лазерная установка МиниМаркер – компактный прецизионный маркер на базе иттербиевого импульсного волоконного лазера с длиной волны лазерного излучения 1,06 мкм.

Исследование контрастности полученного рисунка осуществлялось с помощью микроскопаспектрофотометра МСФУ-К, позволяющего измерять коэффициенты отражения базовой поверхности Rb и поверхности растров Rr в диапазоне длин волн 350–900 нм. Расчет контрастности был произведен по формуле (1). Контроль шероховатости осуществлялся на измерительной станции Hommel Tester T8000.

Физическая сущность процесса лазерного маркирования и ее влияние на уровень контрастности и шероховатости модифицируемого слоя. 

Лазерное маркирование основано на локальном нагреве маркируемой поверхности, в результате которого происходит сублимация материала. Процесс нагрева поверхности материала лазерным излучением при отсутствии фазовых переходов описывается уравнениями (2) и (3).
Падающее излучение поглощается в тонком приповерхностном слое по закону Бугера.

Распространение теплового потока описывается законом Фурье, определяющим, что плотность теплового потока в твердом теле пропорциональна градиенту температуры [3].
Однако физическая сущность лазерной обработки не ограничивается термическими процессами.

Этот процесс сопровождается активным взаимодействием поверхности образца с элементами воздушной среды, в результате которого на поверхности появляется цветовая пленка, отражающая структурные и химические изменения поверхностного слоя. Глубина модифицированного слоя при этом не превышает величину q, определяемую соотношением (3).

Исходя из рассмотренных физических особенностей процесса, контрастность рисунка при маркировании определяется толщиной цветовой пленки и шероховатостью модифицированной поверхности.

Очевидно, что чем больше шероховатость растрового рисунка, тем выше степень оптического контраста, определяемого соотношением (1). При этом необходимо учитывать, как указывалось выше, и требование
к однородности шероховатости рисунка и базовой поверхности.

Толщина цветовой пленки определяется условиями обработки: она зависит от газовой среды, в которой велась обработка; от температуры обработки как катализатора реакции взаимодействия поверхности образца с элементами газовой среды; от плотности линий – числа линий, пройденных лазером на 1 мм поверхности, характеризующей однородность рисунка. В частности, на рис. 1 приведены фотографии поверхности, подвергнутой лазерной обработке с одним из параметров обработки N – число линий на 1 мм, 20 и 1000 мм–1 соответственно при диаметре лазерного пятна 5*10–5 м.

Статья полностью: http://ntv.ifmo.ru/file/article/454.pdf