Лазерный мир

Т.Кунце, Т.Роч, Т.Гофман, Е.Федына, В.Коновалов, Д.Ульянов, А.Лазани // Фотоника №5, 53, 2015, с:34-41

Прецизионная прямая лазерная интерференционная гравировка позволяет создавать периодические структуры на поверхности разнообразных материалов в течение однократного процесса обработки материала. Метод может быть использован для получения поверхностей с заданными свойствами и при создании систем защиты от контрафактной продукции.

Описание на английском языке:

High resolution direct laser interference patterning by high energy Q-switched lasers
T. Kunze, T. Roch, T. Hoffmann, E. Fedyna, V.Konovalov, D. Oulianov, A. Lasagni

High resolution direct laser interference patterning allows creation of submicron periodic features on various material surfaces in a single process. This method can be employed for the functionalization of surfaces as well as for product counterfeit protection.

Известно, что некоторые поверхности с упорядоченной топографией демонстрируют улучшенные характеристики по сравнению с характеристиками поверхностей с хаотичной структурой. Примеры упорядоченной топографии, такие как периодичные поверхностные структуры, встречающиеся в природе у различных растений и животных, появились в результате многотысячелетнего процесса эволюции [1]. Таким образом, природа показала себя в качестве лучшего технолога по приспособлению видов к условиям окружающей среды с целью выживания.[1]

В настоящее время активно развивается область науки, связанная с попыткой рукотворного воспроизведения природных объектов. Лазерные технологии могут послужить средством технической реализации данной задачи, предоставляя при этом хороший экономический эффект [2, 3].

Одним из методов прецизионного нанесения периодических структур на поверхность материала за один процесс является прямая лазерная интерференционная гравировка (ПЛИГ) [4, 5]. Основа метода – это создание на поверхности материала интерференционного поля путем пересечения двух и более пучков когерентного излучения мощных импульсных лазеров, которое, при определенных условиях, приводит к возникновению субмикронных периодических структур на поверхности различных материалов. Такие поверхности потенциально интересны для промышленных, биофизических и медицинских применений. В качестве примера применения ПЛИГ можно назвать системы защиты от контрафактной продукции. ПЛИГ позволяет наносить защитные голографические метки на самые различные поверхности, которые практически невозможно подделать. На рис.1 показана упрощенная оптическая схема экспериментальной установки ПЛИГ. Для формирования необходимых параметров пучка выходное излучение лазера проходит через фокусирующую линзу и маску. В зависимости от желаемой геометрии структуры, записываемой на поверхности, пучок после прохождения маски разделяется на два и более пучков (на рис.1 показан случай двух пучков).

В зависимости от энергии импульса, может быть структурировано за один процесс несколько квадратных сантиметоров поверхности, так же, как и при прямой лазерной записи. В случае, когда область записи превышает диаметр лазерного пучка, применяются системы смещения образца, например трехкоординатные подвижки.

В технологии ПЛИГ могут использоваться лазеры с различными длинами волн от инфракрасного до ультрафиолетового излучения при условии, что длина когерентности лазерного излучения достаточно большая, и обрабатываемый материал поглощает излучение с данной длиной волны. Параметры интерференционной структуры для конкретного материала зависят от длительности лазерного импульса, длины волны и свойств обрабатываемого материала, таких как глубина поглощения и скорость термической диффузии.

Взаимодействие лазерного излучения с поверхностью имеет локальный характер, поэтому воздействие на область материала, находящегося под поверхностью, как правило, незначительно. Кроме того, технология ПЛИГ может быть использована в специальных условиях, например, под водой.

К лазерам, применяемым в прецизионной технологии ПЛИГ, предъявляются жесткие требования. Во-первых, энергия импульса должна быть достаточно высокой для того, чтобы превысить порог абляции материала по всему диаметру пятна. Типичные значения энергии равняются 100—500 мкДж на длине волны 1 мкм и 10–50 мкДж на 0,26 мкм. Необходимо идевльное качество пучка – лазер должен быть одномодовым (TEM00). Для получения высокого контраста интерференционного поля длина когерентности лазерного излучения должна превышать 0,5 см на 1 мкм (0,15 см на 0,26 мкм). Для обеспечения высокой скорости процесса обработки необходима достаточно высокая частота повторений импульсов (1—5 кГц). Хорошая стабильность от импульса к импульсу также важна, потому, что она непосредственно влияет на качество записанной структуры. Габариты лазерного излучателя должны быть малы, так как необходимо, чтобы он помещался в оптическую голову системы. И, конечно, надо стремиться к тому, чтобы стоимость эксплуатации лазера была достаточно низкой, что означает низкую продажную стоимость лазера и его высокую надежность.

Лазеры серии ТЕХНОЛОГИЯ производства компании ЛАЗЕР-КОМПАКТ идеально соответствуют этим требованиям. Это – твердотельные лазеры с диодной накачкой, работающие в режиме активной модуляции добротности, которые используют кроме основной частоты также генераторы второй, третьей и четвертой гармоник. Лазеры серии ТЕХНОЛОГИЯ известны своей высокой стабильностью и надежностью. Компактные и мощные, лазеры этой серии являются новой альтернативой громоздким, сложным и дорогим мощным лазерам. На рис. 6 приведена фотография излучателя лазера ТЕХНОЛОГИЯ.

Выводы

Приведенные в статье результаты продемонстрировали высокий уровень готовности технологии ПЛИГ для внедрения в производство. Была создана компактная установка ПЛИГ, позволяющая получать высокое разрешение записываемых структур (голограммоподобные точки с разрешением до 1000 DPI), имеющая автоматизированный контроль периода и формы объектов записи. В установке использованы твердотельные лазеры высокой энергии серии ТЕХНОЛОГИЯ производства компании ЛАЗЕР-КОМПАКТ, излучение которых имеет достаточную длину когерентности для получения высококачественных интерференционных полей.

Полное содержание статьи: http://www.photonics.su/files/article_pdf/4/article_4885_671.pdf