Лазерный мир

Григорьянц А. Г., Богданова М. А. // Журнал: Наука и образование: научное издание МГТУ ИМ. Н.Э. БАУМАНА, # 03, март 2012, С: 7, УДК: 621.373.826

Данная работа посвящена определению основных характеристик лазерного излучения и механизмов их применения для нанесения маркировки прозрачных диэлектриков. На основании анализа литературных данных и исследования всех возможностей применения лазерного излучения для маркировки различных материалов было предложено исследовать влияние длины волны излучения на размер получаемого дефекта внутри материала, а так же провести некоторые исследования по определению возможности применения существующих методов для конкретного оборудования.

Введение.

Влияние лазерного излучения на материалы исследуется со времён создания лазеров. В связи с постоянным развитием технологий именно лазеры чаще всего применяют для обработки практически любых материалов.

Лазерная маркировка пластикового корпуса электронного модуля Лазерная маркировка пластиковых корпусов электронных блоков имеет множество преимуществ по сравнению с другими, такими как механическая гравировка или трафаретная печать.

Маркировка является перспективным направлением развития в области лазерных технологий благодаря её востребованности практически везде. В настоящее время наиболее распространённым материалами являются диэлектрики. К ним относятся стеклянные материалы, полимеры, драгоценные камни и т.д.

Принципы нанесения маркировки и механизмов, объясняющие сущность процесса изучаются до сих пор. Разнообразие механизмов и моделей, объясняющих сущность взаимодействия лазерного излучения с веществом весьма велико [1, 2, 3, 4, 5], однако пока не найдена общая систематика подбора параметров и объяснения происходящего внутри материала в зависимости от тех или иных условий. При работе с различными материалами требуется какая-либо база и рекомендации для упрощения процесса, однако подобных рекомендаций ранее не приводилось.

Теоретические предпосылки

С начала исследований проблемы лазерного разрушения до настоящего времени в литературе обсуждалось большое число возможных механизмов и моделей разрушения прозрачных материалов различного класса под действием импульсов лазерного излучения. Было проведено общий анализ всех имеющихся данных для таких материалов, как стекло, драгоценный камни и полимеры.

Согласно сложившимся к настоящему моменту представлениям, локальная лазерная модификация прозрачных твёрдых тел может быть вызвана различными механизмами поглощения энергии лазерного излучения. Среди них отмечают [5] так называемые собственные механизмы, связанные со свойствами самой матрицы (ударная и многофотонная ионизация), которые возможны только при воздействии сверхкоротких импульсов; и механизмы, обусловленные поглощающими дефектами (термоупругий, фотоионизационный и т.д.), реализуемые в области длинных импульсов. Реализация того или иного механизма разрушения (термического/нетермического) зависит от большого числа факторов: чистоты исследуемых образцов, длины волны излучения, длительности лазерного импульса, частоты следования импульсов, параметров фокусировки и др. Однако, часто реализуются оба. Различны и степени их воздействия на результат процесса. В связи с этим, для выяснения доминирующего механизма разрушения для каждого конкретного случая обработки материала предпочтительно иметь возможность быстрого изменения величин указанных параметров излучения и фокусировки от милли- до фемтосекунд. В настоящее время гораздо более распространено использование лазеров с короткой длительностью импульса излучения (от наносекундного диапазона и ниже) для нанесения меток внутри материала, поэтому в дальнейшем будем учитывать именно эти длительности импульса.

Исходя из литературных данных [6], можно выделить три термических модели, описывающие взаимодействие лазерного излучения с материалом.

Применение лазеров для нанесения изображений

Целью лазерной маркировки является изменение визуальной контрастности. Это может быть достигнуто двумя путями: либо изменением цвета, либо изменением отражения. Для маркировки используются практически все типы лазеров. В таблице 1 [7] представлены характеристики для твердотельных лазеров, включая лазеры с модуляторами добротности, импульсные и непрерывные, которые формируют важные группы лазерных систем, используемых для маркировки и гравировки. Так же показаны данные для газовых и эксимерных лазеров от маломощных (менее 10 Вт) до более мощных (до 1 кВт). Импульсные TEACO2 лазеры (10 Вт, 70 нс), например, широко используются для нанесения логотипов на пивные бутылки. Эксимерные лазеры используются для нанесения микрометок на стёклах. Такие метки часто создаются для защиты от контрафактной продукции. Другая область применения эксимерных лазеров для маркировки – это маркировка кабелей, например для нужд авиастроения и др.

Если говорить о диаметре пятна, то для некоторых лазерных комплексов он ниже 80 мкм, что является порогом видимости для невооружённого глаза. Такие мелкие точки часто используются для считывающих машин. Применение такого малого диаметра пятна для читаемых глазом кодов возможно, если для увеличения ширины используется несколько линий. Дополнительные линии увеличивают результирующее время маркировки. Для уменьшения времени обработки используются специальные длиннофокусные объективы или телескопы, что приводит к увеличению размера пятна.

Стеклянные материалы.

Среди разновидностей стёкол имеется большое количество марок, обладающих различными свойствами и, как результат, различным типом разрушения. Выделим несколько близких по типу видов стёкол: К8, органическое стекло, посудное стекло, оконное стекло.

Для стеклянных и керамических материалов как правило используется СО2 лазер, без какой-либо дополнительной специальной обработки. При воздействии лазера на материал происходит поглощение пучка поверхностными слоями вещества. При взаимодействии излучения лазера (рисунок 1) с образцами обычной чистоты широкого ряда хрупких материалов: стекло, кристаллический кварц, сапфир и др. преобладает несобственный механизм поглощения, заключающийся в том, что эффективность поглощения процесса обработки определяется количеством и характеристиками дефектов, определяющими оптическое качество материала.

Разрушение при локальном поглощении лазерного излучения в прозрачном твёрдом теле происходит при превышении растягивающими напряжениями предела прочности материала. Трещина формируется по механизму отрыва. Критериями лазерного разрушения по механизму образования трещины является превышение температурой и скоростью изменения температуры материала критической величины, определяемой термостойкостью детали. С использованием параметров лазерного излучения, критериями появления разрушения является превышение интенсивностью критической величины, определяемой свойствами материала.

Помимо критериев разрушения следует рассматривать временные параметры и характеристики лазерного излучения, оказывающие влияние на результат взаимодействия излучения с материалом. К ним относятся [9] длительность импульса t и временная форма импульса I(τ). Длительность импульса излучения в случае обработки излучением прозрачных хрупких материалов может влиять лишь на морфологию разрушения.

Драгоценные камни

Развитие маркировки драгоценных камней было спровоцировано давлением со стороны производителей во избежание возможных подделок и создания показателя качественности (метки) или естественности происхождение изделия.

Основным параметром в области обработки драгоценных камней является вводимая энергия. Она же и определяет видимость наносимого изображения и его яркость. Что же касается длительности импульса, то «читаемость»/чёткость картинки определяется их количеством и перекрытием по слоям.

В последнее время больше распространено применение твердотельных лазеров Nd:YAG с длиной волны излучения 355 нм. Но, всё же, применимость каждой из установок определяется конечными требованиями и условиями обработки [10].

Для нанесения маркировки обычно используется процесс абляции c применением эксимерного лазера [7] позволяющего вносить невидимые метки на окольцовку бриллианта. Характерным размером получаемого разрушения считались маркировки с получаемыми размерами дефектов в промежутке от 30 мкм до 150 мкм на глубине около 1-10 мкм. Однако требуется уменьшение термического напряжения, чтобы избежать возможного появления трещин, а так же увеличения поглощения ультрафиолета. Данное условие выполнялось путём уменьшения ЗТВ и общего ввода тепла.

Полимеры

Развитие лазерных технологий быстро растёт и в области маркировки (кодирования) пластиков. Разнообразие пластиков идеально подходит для их обработки лазерным излучением с точки зрения подбора длины волны, которая может как поглощаться, так и полностью проходить насквозь. Благодаря возможности фокусировки излучения в пятно малого размера и большой концентрации энергии стало возможным уменьшить обрабатываемую зону при маркировке, и соответственно улучшилось и качество получаемого маркированного слоя, однако его зависимость от толщины изделия остаётся достаточно важным фактором. [11]

Исследование по определению возможности нанесения маркировки и выявлению длительности воздействия проводилось на твердотельном лазере Nd:YVO4, работающем на длине волны излучения 532 нм (2-я гармоника), со средней мощностью излучения 1 Вт и длительностью импульса 7 нс. Длительность воздействия на одну точку определялась опытным методом с началом появления видимых изменений (почернения).

По результатам экспериментов было выявлено, что способ нанесения меток методом карбонизации действительно возможен, но недостаточно целесообразен с точки зрения временных затрат. Таким образом, можно с уверенностью сказать, что маркировка полимеров с использованием лазера на заданных параметрах 532 нм, 8 нс возможна методом карбонизации, но наиболее эффективна с применением маркировки вспениванием полимеров.

Выводы

Были выявлены ключевые параметры и механизмы воздействия лазерного излучения на прозрачные диэлектрики. Проведён ряд исследований для стеклянных материалов, позволяющих дать рекомендации по выбору различных длин волн излучения для нанесения изображения на требуемых условиях. Для полимерных материалов было сделано экспериментальное заключение о возможности использования второй гармоники твердотельного лазера в маркировке.

Полное содержание статьи: http://technomag.bmstu.ru/doc/325485.html