Лазерный мир

Рымкевич В.С., Заколдаев Р.А., Сергеев М.М., Костюк Г.К. // Известия высших учебных заведений. Приборостроение, 2017

Аннотация:

Продемонстрировано применение метода обработки прозрачных материалов лазерно-индуцированной микроплазмой для создания многоуровневых фазовых пластин на поверхности плавленого кварца. Описана оптимизация этого метода для существующей лазерной установки „Минимаркер-2“ на основе Yb-волоконного лазера с наносекундной длительностью импульсов (50-200 нс). Разработано программное обеспечение, позволяющее связать параметры лазерной обработки с глубиной рельефа микроструктур, а также генерировать многоуровневые фазовые пластины в автоматическом режиме. На основе полученных результатов записаны образцы многоуровневых фазовых пластин с бинарной и дискретной структурой, рассчитанные для тестирования в схеме с He-Ne-лазером. Представлены результаты сравнительного анализа применения бинарной и дискретной фазовых пластин в качестве гомогенизаторов излучения He-Ne-лазера. Показано, что более равномерное распределение интенсивности в сечении пучка достигается при использовании дискретной фазовой пластины. Данный метод лазерной записи дифракционных элементов позволяет изготавливать фазовые пластины с глубиной рельефа от 0,1 до 15,0 мкм с шагом 50 нм и минимальным размером единичного элемента 200 мкм.

В настоящей статье представлены результаты проектирования, изготовления и тестирования СФП с многоуровневой структурой. Пластины были изготовлены методом обработки стекла лазерно-индуцированной микроплазмой (далее — метод ЛИМП), описанным ранее в работах [11, 12]. Именно этот метод формирования на плавленом кварце массивов микролинз, а также фазовых решеток с синусоидальным и прямоугольным профилем без ухудшения оптических характеристик рабочей поверхности рассмотрен в работах [13, 11]. Настоящее исследование посвящено автоматизации метода ЛИМП при записи многоуровневых структур на плавленом кварце, частным случаем которых является СФП. Разработаны соответствующие базы данных. По результатам автоматизации были записаны образцы СФП с бинарной и дискретной структурой, рассчитанные для дальнейшего тестирования при длине волны 0,633 мкм.

Структура СФП. Для гомогенизации низкокогерентных (4 ~ 10 м и 4 ~ 10 с) источников лазерного излучения часто используются бинарные случайные фазовые пластины (БСФП) [14] (рис. 1, а). Каждый элемент пластины, имеющий вид элементарной ячейки, обеспечивает нулевой сдвиг фазы в локальной области лазерного пучка либо сдвиг на п. Излучение от каждой ячейки затем интерферирует в фокальной плоскости собирающей линзы. Глубина рельефа отдельно взятого элемента, обеспечивающего сдвиг фазы на п, определяется выражением [3]

Метод обработки стекла лазерно-индуцированной микроплазмой, рассмотренный в работе [12], реализован на коммерчески доступной лазерной установке „Минимаркер-2″. Формирование микрорельфа поверхности плавленого кварца осуществлялось сканированием сфокусированного лазерного пучка в плоскости контакта пластин стекла с мишенью. После микроструктурирования (рис. 2, а) поверхность стекла всегда была покрыта осевшими на нее в процессе обработки частицами графита.

Очистка поверхности стекла от этих частиц производилась на том же макете установки. Рис. 2, б иллюстрирует положение загрязненной поверхности пластины стекла со слоем дистиллированной воды относительно падающего на нее пучка лазерного излучения. Очистка проводилась до полного удаления всех частиц графита. а) б) Для создания дискретной случайной фазовой пластины (ДСФП) на плавленом кварце методом ЛИМП необходимо определить зависимость глубины формируемого микрорельефа от параметров лазерной обработки. Существенное влияние на глубину формируемого микрорельефа, помимо параметров лазерной обработки, оказывают обрабатываемый материал — плавленый кварц и материал подложки, поглощающий лазерное излучение. Отсюда следует, что поиск аналитической зависимости для вычисления глубины формируемого микрорельефа является сложной задачей. Поэтому создание базы данных (далее — карта глубин), связывающих значения глубин и параметры обработки плавленого кварца при использовании конкретной мишени, представлявляется более целесообразным.

Микрорельеф поверхности стекла исследовался контактным методом на профилометре Т-8000. Анализ карты глубин. При составлении карты глубин в общей сложности было исследовано 2400 элементарных ячеек. Микрорельеф, формируемый при разных режимах обработки, имеет разное качество и глубину. Поэтому для выявления наиболее подходящего диапазона режимов, а также определения шага разрешения по глубине, допустимого при методе ЛИМП, были статистически исследованы вероятности появления дефектов микрорельефа и его глубины. Тестирование образцов осуществлялось следующим образом: в фокальной плоскости линзы регистрировалось распределение интенсивности излучения исходного лазерного пучка. Затем в расширенный пучок устанавливалась СФП и регистрация проводилась вновь.

После чего вносились искажения в исходный пучок, и регистрация распределения сначала выполнялась для него, а далее — для искаженного пучка, в который установлена одна из СФП. Составлена база данных, именуемая картой глубин, позволяющая связать основные параметры лазерной обработки и глубину формируемого микрорельефа. В результате записаны случайные фазовые пластины с бинарной и дискретной структурой с заданной глубиной микрорельефа. В результате исследований выявлено, что использование дискретной структуры случайной фазовой пластины для получения равномерного распределения интенсивности по сечению пучка более предпочтительно, чем использование бинарной структуры.

Тем не менее вопрос о применении ДСФП в качестве гомогенизатора высококогерентных пучков для лазерной микрообработки до сих пор остается открытым и требует дальнейших исследований. В частности, в ДСФП, исследуемой в настоящей работе, было реализовано 5 различных сдвигов фаз при размере элементарной ячейки 200 мкм, что не позволило получить стандартное отклонение профиля от равномерного распределения интенсивности менее 50 %. Возможным решением проблемы снижения отклонения профиля распределения интенсивности представляется создание ДСФП, в которой число глубин, отвечающих сдвигу фаз 0—п в элементарных ячейках, было бы увеличено, например, до 10.

Полное содержание статьи: https://cyberleninka.ru/article/n/ispolzovanie-lazerno-indutsirovannoy-mikroplazmy-dlya-izgotovleniya-mnogourovnevyh-fazovyh-plastin/pdf