Лазеры обеспечивают процессы, которые невозможно выполнить экономичнее, качественнее и точнее любым другим способом — например, прецизионную резку и сверление отверстий, селективное удаление материала или текстурирование поверхности, микросварку оптических материалов, в т. ч. стекла и комбинированных соединений. Постоянно возрастают требования к точности обработки в промышленных и других применениях. И для этого требуются различные усовершенствования лазера, включая более короткую ширину импульса, более высокую частоту повторения, изменяющиеся длины волн, большую мощность, лучшее качество излучения и увеличенную продолжительность непрерывной работы. Эти потребности должны быть удовлетворены при одновременном снижении первоначальных и текущих расходов [1].

 

 

Особенности лазеров с ультракороткими импульсами для обработки стекла

 

Источники лазерных ультракоротких импульсов (УКИ/USP), имеющие длительность менее 100 фемтосекунд, являются важнейшим инструментом, используемым для решения самых разнообразных научных и прикладных задач. Короткая длительность таких импульсов при относительно высокой пиковой мощности позволяет применять их для прецизионной субмикронной обработки материалов и поверхностей в режиме многофотонного поглощения. Высокая пиковая интенсивность лазеров УКИ/USP обеспечивает возможность эффективного преобразования частоты с помощью самых разнообразных нелинейно-­оптических процессов, что, в частности, открывает возможности для генерации частотных гребенок, простирающихся от ультрафиолета до ближнего инфракрасного диапазона. [1, 2]. Ультракороткоимпульсные лазеры в пикосекундном (ps) или даже фемтосекундном (fs) диапазоне доступны для широкомасштабного применения, например, скрайбирования стекла мобильных устройств, уже более десяти лет [3].

 

Лазерная обработка стекла и кристаллов всегда была довольно сложной из-за низкого поглощения в видимом и ближнем инфракрасном (NIR) спектре и низкой термоударостойкости [4]. Наиболее простой подход основан на использовании однофотонного поглощения в диапазонах длин волн, где стекло не очень прозрачно, — либо в инфракрасном (ИК), либо в ультрафиолетовом (УФ). Однако прямое поглощение приводит к проблемам, включая нежелательные тепловые эффекты и образование зон, подверженных тепловому воздействию, которые могут серьезно нарушить механическую стабильность из-за распространения микротрещин. Кроме того, обработка существенно ниже поверхности, направленная на создание 3D-структур, требует использования длин волн с высокой прозрачностью. В то время как импульсные наносекундные лазеры можно использовать для создания подповерхностных структур в стекле, задействованные физические механизмы также накладывают ограничения на тонкость микрообработки и могут вызывать микротрещины [5]. Как показано на рис. 1, обработка фемтосекундным лазером способна обеспечить более высокое качество.

 

Рис. 1. Примеры лазерной обработки стекла наносекундным ультрафиолетовым лазером (левая сторона) и фемтосекундным лазером NIR (правая сторона) [5]

 

 

Использование все более коротких импульсов лазерного излучения открывает новые практические возможности для промышленности, а именно — использование сверхбыстрых лазеров, генерирующих субпикосекундные импульсы в ближнем инфракрасном диапазоне (NIR) длин волн.

 

При таком подходе ультракороткие импульсы плотно фокусируются в объеме стекла или его поверхности с плотностью мощности, превышающей тераватты на квадратный сантиметр, что запускает экзотические процессы, такие как одновременное поглощение нескольких фотонов и лавинообразная и ударная ионизация, приводящая к сильно локализованному разрушению стеклянной матрицы с очень небольшим количеством осажденной энергии (несколько микроджоулей или меньше). Из-за очень малого количества энергии, затрачиваемой на импульс, тепловое воздействие на область — даже непосредственно окружающую фокальный объем — может быть незначительным. Этот подход часто, называемый «холодной абляцией»,  позволяет создавать чрезвычайно точные 3D-структуры [5].

 

Фемтосекундная лазерная микрообработка прозрачных материалов имеет отличительные преимущества перед другими методами микрообработки. Во-первых, лазерно-­индуцированные модификации ограничены фокальным объемом из-за нелинейности механизма поглощения. При использовании методов сканирования или микрообработки становится возможным создание геометрически сложных трехмерных структур. Во-вторых, независимый от материала нелинейный процесс поглощения позволяет формировать тонкие структуры, подобные оптическим устройствам, в прозрачных материалах. Фемтосекундная лазерная микрообработка сопровождается явлением, называемым «лазерно-­индуцированным оптическим пробоем». В этом процессе оптическая энергия фемтосекундного лазера передается обрабатываемому материалу, возбуждая множество электронов и заставляя их ионизироваться и передавать энергию на решетку. Впоследствии происходит структурное или фазовое изменение в материале, которое вызывает изменение показателя преломления [5].

 

 

Маркировка

 

Наиболее заметным применением еще 20–30 лет назад была лазерная маркировка стекла с использованием CO₂‑лазеров, рис. 2а [6, 7]. Применялась также лазерная резка изделий из плавленного кварца и высококремнеземного стекла [8–10].
За последние несколько лет стал доступен более сложный способ поверхностной и внутренней маркировки стекла с использованием фемтосекундных лазеров (рис. 2б). Однако из-за более высокой цены на эти лазеры их применение в основном касалось медицинских устройств и упаковки для высококачественной косметики, и парфюмерии [4].

 

 

Рис. 2. Стеклянная бутылка с лазерной маркировкой логотипа и надписи по стеклу и этикетке СО2-лазером в Лазерном центре (СПб) — а [6, 7] и пример лазерной маркировки по стеклу фемтосекундным волоконным лазером — б [5]

 

 

Резка

 

В прошлом применялись различные подходы для резки стекла и других прозрачных, и хрупких материалов. Эти процессы делят на виды [4]: скрайбирование и разрыв; термическое разделение стекла путем введения специфического профиля напряжений; чистая лазерная абляция; обработка снизу вверх; внутреннее скрайбирование стекла с помощью оптического пробоя при высокой плотности мощности; классическая «термоядерная» резка; генерация нитей (например, длинных и узких модификаций) в пределах объема. Большинство из этих стратегий (рис. 3) имеют одно или два преимущества, но в то же время имеют длинный список ограничений [4].

 

Рис. 3. Различные варианты лазерной обработки прозрачных материалов включают маркировку плавленого кремнезема поверхностной гравировкой (a), гравировку поверхности разбивания стекла (b), внутреннюю гравировку сапфира (c), обработку стекла снизу ­вверх (d), лазерную нить стекла (e, h), тепловую лазерную сепарацию стекла (f) и «термоядерную резку» сапфира (g) [4]

 

 

Например, «скрайбирование и разрыв» является интересным вариантом для механического разделения тонких поперечных сечений хрупких материалов (толщиной менее 0,5 мм) после поверхностного скрайбирования сверхбыстрыми лазерами. С другой стороны, этот способ может применяться только к прямым линиям и работает с низкой и умеренной скоростью скрайбирования от 10 до 100 мм/с, в зависимости от толщины, довольно часто оставляет непрямые края после расщепления со значительной разницей в прочности на изгиб. Тем не менее способ хорошо зарекомендовал себя в производстве светодиодов (LED) для нарезки сапфира [4].

 

Тепловая лазерная сепарация с использованием твердотельного лазера NIR вместо стандартного CO₂‑лазера, более известного как поглощение лазерного луча (MLBA), направляет трещину снаружи через материал с помощью лазерно-­индуцированного профиля напряжения. Разделенные стенки демонстрируют качество без микротрещин, что приводит к показателям прочности на изгиб и на разрушение, близким к теоретическому уровню стекла. Но опять же есть и минусы: очень сложно направить эту трещину вокруг контура с небольшим отклонением от запрограммированной кривой и закрыть контур, потому что распространение трещины сильно зависит от существующего профиля напряжения в стекле [4].

 

Недавние разработки в этом направлении включают сверхбыстрые лазеры для создания аналогичного эффекта и обеспечения качества кромок, но контурная резка по-прежнему является проблемой. Поэтому тепловое разделение иногда приходится сочетать с чистой абляцией, например, для получения дисплея сотового телефона. В этом случае тепловая лазерная сепарация применяется для прямых разрезов, а закругленные углы выполняются с помощью мощного сверхбыстрого лазера (рис. 4). Чистая лазерная абляция — это возможность точно удалить материал на поверхности или даже вниз через все поперечное сечение, что в конечном итоге приводит к резке. Недостатки включают относительно низкую скорость абляции (особенно на более толстых поперечных сечениях), что приводит к типичной скорости резания 1–10 мм/с для материала толщиной до 0,5 мм; неизбежный угол конуса 10–12°; зоны значительного теплового облучения при превышении глубины абляции в 200 мкм. Подход чистой абляции также может быть использован для сверления стекла и других прозрачных материалов, предпочтительно с использованием сверхбыстрого лазера в сочетании с пятиосевой головкой для обеспечения прямых сверлильных стенок. Тем не менее, скорость обработки в более толстом (0,3–0,7 мм) материале довольно низкая — порядка 10 секунд на отверстие. В случае чистой абляции процесс инициируется на верхней стороне образца, тогда как лазер в соответствии с так называемым методом обработки «снизу ­вверх» начинает разрушать прозрачный материал на нижней стороне заготовки, и этот измельченный материал выпадает из зоны абляции под действием силы тяжести. Отверстия различной формы могут быть созданы путем непрерывного перемещения фокуса вверх. Наносекундные или пикосекундные импульсы используются при λ = 515–532 нм, поскольку этот процесс зависит от высокой прозрачности длины волны лазера. За время обработки 1 с в известковом стекле толщиной 3 мм можно просверлить отверстие диаметром 1 мм со скоростью резания для свободного контура в диапазоне 3 мм/с. Помимо относительно медленной скорости обработки недостатком является то, что усиленное стекло не может быть обработано этим методом, а края обычно имеют значительные сколы в диапазоне 50–10 мкм от обрабатываемого края [4].

 

Рис. 4. Резка стекла различной геометрии «лазерной нитью» [4]

 

 

Используя высокую плотность мощности, часто создаваемую сверхбыстрыми импульсами в сочетании с точной фокусировкой до нескольких микрон, можно достигнуть оптического пробоя практически в любой прозрачной среде. Благодаря относительно быстрому движению детали и активному управлению положением фокуса в объеме может быть изготовлена линия реза со скоростью до 1000 мм/с, например, для кубиков сапфировых светодиодных пластин толщиной от 100 до 200 мкм. Для разделения нарезанных кубиками частей необходим механический процесс расщепления. Недостатки включают высокую шероховатость разрезанной поверхности и проблему контроля разрушения от центральной линии к краям [4].

 

Сапфир является одним из самых твердых из существующих прозрачных материалов. Его механические и оптические свой­ства идеальны для различных компонентов, таких как, очки, крышки часов, дисплеи мобильных устройств, защитные окна для камер или светодиодные носители.

 

 

Резка сапфира твердотельными лазерами (например, с ламповой накачкой) известна уже много лет и стала современным промышленным процессом. Однако достижимая скорость процесса и качество резки ограничены, а эксплуатационные расходы относительно высоки. Последние достижения в области волоконных лазеров вывели процесс термосапфировой резки на новый уровень производительности. Скорость и качество резки могут быть значительно улучшены при гораздо более низких эксплуатационных расходах [4].

 

В процессе термической резки лазерный луч обычно фокусируется на заготовке. Температура заготовки локально повышается выше температуры плавления. При комнатной температуре примерно 85% лазерного излучения проходит через полированную сапфировую подложку, примерно 14% отражается и менее 1% поглощается для начала процесса плавления. Как только сапфир расплавляется, его поглощающая способность резко возрастает, и ванну расплава можно легко поддерживать. Таким образом, начало процесса является наиболее важной частью термической резки сапфира. Поскольку теплопроводность сапфира высока по сравнению с другими стеклоподобными материалами, интенсивность лазера должна быть очень высокой — обычно для начала процесса плавления требуются интенсивности в сотни мегаватт на квадратный сантиметр. Из-за высокой теплопроводности тепло быстро рассеивается, и существует меньший риск локального накопления тепла или термического повреждения по сравнению с другими стеклянными материалами. Струя технологического газа (азот, сжатый воздух или, в некоторых случаях, гелий) используется для выдувания расплава из зоны реза. Сам тип газа сильно влияет на качество кромки реза (может происходить химическая реакция) [4].

 

Волоконные лазеры, такие как Rofin-­Lasag LFS 150, стали очень мощной альтернативой твердотельным лазерам с ламповой или диодной накачкой, поскольку они могут обеспечивать высокую среднюю и пиковую мощность в сочетании с отличным качеством луча. Поскольку сапфир и другие хрупкие материалы особенно термочувствительны, параметры лазера должны быть тщательно подобраны и контролируемы. Положение фокуса относительно сапфировой поверхности очень важно, чтобы избежать микротрещин и сколов. Соответствующая фокусировка приводит к резке без трещин с хорошим качеством. Могут быть достигнуты значения шероховатости поверхности Ra < 1,5 мкм. Максимальная скорость резания в основном зависит от требований к качеству и сложности деталей. Скорость резки составляет от 3 до 25 мм/с для толщины сапфира от 6 до 0,2 мм при величине грата менее 20 мкм. 

 

Волоконная лазерная «термоядерная» резка сапфира и керамики стала распространенной в высокоавтоматизированных процессах производства компонентов для портативных устройств (например, кнопок, защитных окон и т. п.). Если параметры лазерной резки подобраны правильно, то соотношение цены и качества является непревзойденным по сравнению с другими процессами резки [4].

 

Другой подход — резка «лазерной нитью» (рис. 3 e, h; 4) [4] — вызвал огромный интерес на рынке, поскольку обеспечивает выдающееся сочетание достижимой скорости обработки, качества кромок (шероховатость, прямолинейность, повреждение поверхности), диапазона толщины и универсальности материала. В этом случае, сверхбыстрые лазеры обеспечивают очень большое соотношением сторон в прозрачных средах — профиль лазерного импульса действует как фокусирующая линза за счет нелинейного оптического эффекта Керра, вызывая самофокусировку луча и дальнейшее увеличение плотности мощности. При определенной пиковой интенсивности создается плазма низкой плотности, которая понижает показатель преломления в центре траектории пучка и заставляет луч снова расфокусироваться. Благодаря использованию сложной оптической конфигурации динамическое поведение между самофокусировкой эффекта Керра и расфокусировкой плазмы может привести к образованию стабильной нити накала, простирающейся на несколько миллиметров в длину в оптическом прозрачном материале. Типичный диаметр нити накала находится в диапазоне 1–2 мкм. Для достижения линии резки или перфорации с нулевым зазором эти лазерные нити размещаются близко друг к другу путем относительного перемещения заготовки и/или обрабатывающей головки с типичными скоростями 100–1000 мм/с, в зависимости от толщины материала и желаемой геометрии реза [4].

 

Процесс резки «лазерной нитью» Rofin SmartCleave FI позволяет вырезать произвольные формы без конусов в прозрачных и хрупких материалах толщиной 0,05–10 мм (рис. 4).

 

Полученные поверхности резов в основном не содержат сколов. Типичные значения Ra < 1 мкм приводят к высокой прочности на изгиб вырезанных деталей. При достаточных уровнях внутреннего напряжения, которые присутствуют в химически или термоупрочненном стекле, зона резки разделяется автоматически. Неупрочненное стекло (содовая известь, боросиликат и алюмосиликат), сапфир или керамика могут быть легко разделены механически. Технологии SmartCleave FI применяются при изготовлении дисплеев мобильных телефонов из усиленного и неупрочненного стекла, а также сапфира; телевизоров, компьютеров и планшетов, светодиодных и органических (OLED) продуктов и других микроэлектронных приложений; стеклянных подложек для интегральных схем; оптики; часов; архитектурного и бытового стекла; медицинских изделий; полупроводников и керамики [4].

 

Компанией Rofin были разработаны сверхбыстрые пикосекундные лазеры StarPico, построенные в виде цепи MOPA, обеспечивающей очень высокую частоту повторения и разрыва, с импульсными пакетами с наносекундным разделением и программируемыми изменениями мощности излучения. Выбранная конструкция Hybrid-­MOPA сочетает надежность, высокую частоту повторения и качество луча волоконных лазеров с масштабируемостью мощности [4].

 

Два новых описанных выше процесса: лазерная «термоядерная» резка и резка «лазерной нитью» сверхбыстрыми лазерами — имеют значительный потенциал для широкого промышленного внедрения [4].

 

 

Текстурирование поверхности

 

Распространенные методы, такие как пескоструйная обработка и химическое травление, для текстурирования на стеклянных поверхностях, обеспечивают точность среднего уровня и ограниченный контроль над полученным рисунком, часто вызывая микротрещины, которые снижают долговечность обработанного стекла. В результате волоконные лазеры также находят применение при текстурировании поверхности стекла, особенно для таких задач, как создание гидрофобных/гидрофильных стеклянных поверхностей. В последнее время обработка с использованием ультракороткоимпульсных лазеров показывает, что на стеклянных поверхностях можно получить такие же или даже более качественные условия смачиваемости, чем при традиционных технологиях, и они весьма перспективны для будущих применений в области обработки поверхностей. Они обеспечивают полный контроль над технологической схемой на поверхности, что позволяет оптимизировать взаимодействие жидкости и стекла [5].

 

 

Создание волноводов

 

 

Еще одно важное применение в индустрии оптики и фотоники, возможное только с помощью лазеров со сверхкороткими импульсами,  — это создание волноводов внутри стекла для направления света в 3D. Когда ультракороткие импульсы фокусируются внутри стекла, в фокусном объеме происходит изменение показателя преломления. Эту область с увеличенным показателем преломления можно использовать для формирования траекторий. Как и по оптическим волокнам, свет может направляться по этим путям с помощью механизма полного внутреннего отражения. Используя этот метод, можно направлять и передавать свет в трех измерениях из одного места в другое, комбинируя или разделяя различные длины волн, создавая решетки или структуры линз внутри стекла, и т. д. Таким образом, возможность создания ультракороткого лазерного волновода внутри стекла (рис. 5) важна, поскольку ожидается, что технология фотоники будет доминировать в области связи, биомедицины и сенсорных технологий, которые в основном обеспечиваются электронными технологиями [5].

 

Рис. 5. Схема, показывающая прямую лазерную запись волновода внутри стекла [5]

 

 

Сварка

 

 

Еще одним перспективным применением волоконных лазеров со сверхкороткими импульсами является сварка стекол.
Наиболее широко используемый метод соединения двух стекол — это склеивание их с помощью химических веществ. Самым большим недостатком этого метода является то, что большинство используемых химических веществ со временем выделяют некоторые газы, в результате чего сила связи между стеклами уменьшается из-за газа между ними [5]. Другой используемый метод заключается в полировке стеклянных поверхностей, их соединении и последующей термообработке. Этот метод также имеет недостатки, особенно если используются два разных типа стекол.

 

Поскольку они могут иметь разные коэффициенты теплового расширения, связь между стеклами может ослабнуть после термической обработки [5].

 

В последнее время для сварки стекол начали использоваться лазеры с высокой частотой повторения (мегагерцы) и высокой энергией импульсов (микроджоули) — сверхкороткоимпульсные лазеры. Когда ультракороткие импульсы фокусируются на границе раздела двух свариваемых стекол, очень небольшие объемы каждого стекла плавятся и охлаждаются вместе, в результате чего образуется очень мощная связь. При правильной оптимизации процессов сверхкороткой лазерной сварки можно получить связи, столь же прочные, как и в самом стекле (рис. 6) [5].
USP-лазеры заняли прочное место в мире обработки стекла в значительной степени благодаря нелинейным взаимодействиям материалов, которые они вызывают. По сравнению с более длительной шириной импульса или непрерывным излучением (CW) объединение заданного количества энергии в ультракороткую фемто- или пикосекундную ширину импульса приводит к уникальным явлениям, таким как самофокусировка и многофотонное (и другое нелинейное) поглощение, и все это в сильно пропускающем и пассивном материале. Как только происходит поглощение света, возможна структурная модификация материала, а короткие временные интервалы, в течение которых передается энергия импульса, обеспечивают минимальный нагрев, плавление, растрескивание и т. д. На практике фокусирующая линза используется для точного контроля зоны, где происходит нелинейное поглощение и структурная модификация [11].

 

Рис. 6. Лазерное соединение двух стекол с использованием фемтосекундных импульсов [5]

 

 

В некоторых сценариях может быть полезно определенное количество нагрева, и это также возможно при использовании ультракоротких импульсов. Сверхкороткие импульсы, плотно сфокусированные в стекле и примененные с высокой частотой следования (PRF), приводят к накоплению тепла и контролируемому локальному плавлению квазисферических объемов под поверхностью в объеме стекла. На раннем этапе это парное явление нелинейного поглощения в сочетании с накоплением тепла с высоким КПД использовалось для изготовления оптических волноводов из объемного стекла, поскольку циклическое плавление/замораживание стекла приводило к пространственно изменяющейся плотности и, следовательно, к изменению показателя преломления. Также было обнаружено, что такое же контролируемое локальное плавление можно использовать для соединения двух стеклянных пластин, если плоскость фокусировки расположена на границе соприкосновения материалов. Ранние работы проводились исключительно с фемтосекундными импульсами, позднее исследователи обнаружили, что пикосекундные импульсы с высоким PRF столь же эффективны. На рис. 7 показано, как стеклянные материалы расположены относительно лазерного луча для лазерной сквозной сварки [11].

 

Рис. 7. Схематическое изображение сквозной лазерной микросварки двух стеклянных пластин [11]

 

 

Соединение стекла со стеклом или другими типами материалов полезно в различных отраслях промышленности, включая бытовую электронику, сборку микрооптики и упаковку медицинских устройств. К преимуществам микросварки на основе лазера относится отсутствие дополнительных промежуточных материалов, а также высокая локализация процесса, позволяющая обрабатывать рядом с термочувствительными компонентами (электрическими, полимерными и т. д.). Учитывая эти преимущества, инженеры MKS Spectra-­Physics (Санта-­Клара, Калифорния) протестировали промышленный пикосекундный импульсный инфракрасный (ИК) лазер высокой мощности (IceFyre 1064–50 пикосекундный лазер) для сквозной микросварки материалов из стекла в стекло и стекла в алюминиевые пластины [11].

 

В случае сварки стекла со стеклом две стеклянные пластины (слайды микроскопа с натриевой известью толщиной 1 мм) были помещены в оптический контакт друг с другом, гарантируя отсутствие воздушных зазоров или загрязнений, которые могли бы помешать процессу. Сфокусированный луч, рассчитанный на величину ~2 мкм, устанавливался на границе раздела двух пластин, и образец перемещался в боковом направлении с использованием системы Newport precision XY stage. Параметрические тестовые переменные включали среднюю мощность, PRF и скорость сканирования; оценка и оптимизация были основаны на непрерывности сварной линии и минимизации разрушения стекла. Наилучшие результаты были достигнуты при средней мощности 5 Вт, частоте 10 МГц и скорости перемещения образца 25 мм/с. Структуру и качество сварных швов определяли с помощью оптической микроскопии с изображением сверху вниз на поперечном образце, рис. 8 [11].

 

 

Рис. 8. Поперечный образец со сварными швами соединения «стекло – стекло» [11]

 

 

Сварной шов имеет ширину ~30 мкм. Зона термического влияния имеет примерно ту же величину. В некоторых производственных процессах точечная микросварка может быть предпочтительнее сварки непрерывной линией. Для разработки такого процесса тестирование проводилось в объеме одной стеклянной пластины, а не на границе раздела, поскольку считается, что это отражает поведение сварки между оптически контактирующими стеклами. Для стационарных характеристик сварки параметры лазера были повторно оптимизированы, и наилучшие результаты были достигнуты при использовании более низких значений мощности и PRF по сравнению с параметрами для линейной микросварки. В частности, уровни мощности для успешной сварки находились в диапазоне 1–2,5 Вт, а оптимальный PRF был найден равным 1 МГц. При таких настройках были сформированы симметричные области расплава, размер которых зависел как от средней мощности, так и от количества подаваемых импульсов [11].

 

Процесс микросварки на основе лазера для соединения стекла с металлом может быть очень ценным, например, для таких задач, как производство мобильных устройств. Отсутствие лишних материалов, таких как клей и механические крепежные элементы или конструкции, широко привлекают как потребителей, так и производителей. Была проведена серия экспериментов, направленных на сквозную лазерную микросварку стекла и алюминиевой пластины. Лазер и установка были идентичны тем, которые использовались для сварки стекла со стеклом, за одним примечательным исключением: поскольку оптический контакт между стеклом и алюминием невозможен, было применено механическое зажимное устройство для удержания двух пластин в тесном контакте во время лазерного облучения [11].

 

Было обнаружено, что параметры обработки при сварке стекла с алюминием значительно отличаются от параметров при сварке только стекла. Поскольку фокус расположен на поверхности алюминия, где лазерная энергия сильно (и линейно) поглощается, оптимальная средняя мощность оказалась значительно ниже ~0,6 Вт. Частота PRF также была значительно снижена до 800 кГц при той же скорости сварки (25 мм/с) [11].

 

Поперечное сечение сварных швов стекло — алюминий раскрывает более интересные детали сварных конструкций (рис. 9). Сварные швы выглядят как алюминиевые выступы в стекло, и между двумя материалами нет видимого зазора и никаких признаков проникновения расплава в несваренные области вдоль границы раздела. Оценка прочности сварного соединения была получена путем принудительного разделения сварных пластин. Результат был многообещающим: большие участки стекла откололись от основной пластины и остались сплавленными с алюминием, что указывает на прочную связь между двумя разными материалами [11].

 

Рис. 9. Расплав алюминия «встроен» в стеклянную пластину без признаков растрескивания или разделения двух материалов [11]

 

 

Здесь мы рассмотрели экспериментальные результаты для сквозной лазерной микросварки стекло — ­стекло и стекло — ­алюминий. При использовании лазера MKS Spectra-­Physics IceFyre были продемонстрированы хорошо контролируемые процессы, которые приводят к высококачественным результатам. Простота и гибкость таких процессов могут многое предложить для широкого спектра применений, и высокопроизводительная пикосекундная технология PRF хорошо подходит для этой задачи [11].

 

 

3D-печать

 

 

Высококачественная 3D-печать (HP3DP) с помощью сфокусированного импульсного фемтосекундного лазерного излучения обеспечивает широкий спектр свободы в проектировании для промышленного изготовления передовых оптических компонентов и продуктов. Как одна из технологий ХХI века, 3D-печать приобрела популярность в быстром прототипировании благодаря тому, что нужен практически один этап процесса и он не требует дорогостоящего и сложного производства обычных инструментов. 3D-печать не только обеспечивает быструю оценку прототипов, но и может обеспечить более эффективное производство в малых и средних объемах по сравнению с традиционным. Во многих случаях 3D-печатные детали могут весить меньше и обеспечивают улучшенную общую механическую стабильность по сравнению с обычно собранными деталями [12].

 

Хотя было продемонстрировано много применений, из-за низкой точности и отсутствия подходящих материалов печать элементов с оптической функциональностью оставалась проблемной. Однако, обеспечивая субмикрометровое разрешение печати за счет нелинейного поглощения двух фотонов одновременно, вызванных сфокусированными фемтосекундными лазерными импульсами, становится возможным получить разрешение, соответствующее требованиям заказчика (рис. 10). Сфокусированные лазерные импульсы в чане из специальных полимеров или стекол, обеспечивая двух- или многофотонные эффекты поглощения, создают твердые оптические объекты с точностью, определяемой фокальным пятном лазера [12].

 

Рис. 10. Процесс HP3DP обеспечивает масштабируемость изготавливаемых оптических элементов по размеру, сложности и форме: субмикрометровых структур, ориентированных случайным образом (a); пирамидальных конструкций микрометрового размера с определенными углами для светового наведения (b); макроструктур, состоящих из объективов диаметром 1 мм, встроенных в рамку с функциями сборки (c); сложенных микролинз, изготовленных за один процесс (d); матриц объективов 1×1 см в качестве мастера для производства репликаций (e); цилиндрических микролинз для целей формирования луча (e); DFB-лазер от компании nanoplus (f) [12]

 

 

Преодолевая разрыв между микро/нанопроизводственными и традиционными технологиями изготовления, процесс HP3DP создает компоненты с разрешением ниже дифракционного предела, которые масштабируются в общем размере от субмикронов до сантиметрового диапазона, обеспечивая изготовление конструкций с соотношением сторон до 43:1 и печать микрооптики сверхвысокого качества и других компонентов, изготовление которых невозможно с помощью обычных методов обработки [12].

 

С тех пор, как процесс HP3DP был впервые продемонстрирован в 1997 году, он неуклонно развивался благодаря участию многих академических и исследовательских групп. Технология созрела до степени, когда возможны промышленные приложения с высоким разрешением печати в диапазоне 100 нм благодаря нелинейному эффекту поглощения. Размер мельчайших объектов может быть мгновенно отрегулирован заданием соответствующей мощности лазерного излучения и фокусировкой оптики, технологией изготовления и подбором обрабатываемого материала.

 

Этот метод обеспечивает высокую степень масштабируемости и сложности, не зависит от дорогостоящих масок (рис. 10). Пример иллюстрирует масштабируемость по размеру (рис. 10а) для субмикрометрических структур в произвольных расположениях и формах (рис. 10b) и создание макроструктур (рис. 10с) с большой линзой (диаметром один миллиметр), интегрированной в коробку с возможностью выравнивания. Сложные структуры, такие как массив сложенных микролинз (рис. 10d), могут быть изготовлены за один процесс без выравнивания отдельных элементов относительно друг друга — сложная работа с высокой чувствительностью к неисправности конечного устройства в традиционном производстве эндоскопов [12].

 

Благодаря реализации сложных производственных стратегий HP3DP может быть использован для изготовления линзовых массивов в масштабе пластины, заменяя такие технологии, как ультрафиолетовая и ступенчатая наноимпринтная литография (на рис. 10е показан массив размером 1×1 см²), или для изготовления репликационных форм для других технологий массового производства, таких как литье под давлением и горячее тиснение. На специальные подложки нет ограничений (рис. 10f), например, микролинза была напечатана непосредственно с распределенной обратной связью (DFB). Эта уникальная способность позволяет печатать элементы на любых активных и пассивных устройствах. Волноводы, волокна и детекторы обеспечивают высокую степень гибкости в разработке новых миниатюрных продуктов и концепций упаковки, а также возможность объединения нескольких длин волн лазера на одном выходе для лабораторных применений [12].

 

Для микроэлектромеханических применений конструкции с высоким соотношением сторон (HAR) являются благоприятными, поскольку они позволяют создавать структуры 3D-микроэлектромеханических систем (MEMS). Такие структуры MEMS обычно обрабатываются с помощью LIGA (немецкая аббревиатура для Lithographie, Galvanik и Abformung), которая в основном использует фоторезист СУ‑8 и хромовые маски. Процесс требует нескольких этапов, включая сложную задачу литья толстых слоев фоторезиста, обычно ограниченных несколькими сотнями микрон.

 

Следовательно, для высоты 100 мкм был реализован HAR 100:1. Типичные структуры HAR, реализованные HP3DP (рис. 11), включают волноводы с соотношением сторон 1:1 или 2:1, 16:1 с боковыми стенками 90°.

 

Рис. 11. Показаны различные структуры с высоким соотношением сторон (HAR), реализованные по технологии HP3DP от 2:1 до 43:1; возможно производить конструкции с номинальной высотой в диапазоне от миллиметров до сантиметров, с более высокими пропорциями [12]

 

 

Длинные стенки шириной 5 мкм и высотой 80 мкм были изготовлены в режиме бесконечного поля зрения (IFoV), включающем синхронизированное отклонение лазерной фокусировки гальваносканером. Возможно изготовление структур HAR 20:1, например, игл высотой 100 мкм с базовой площадью 5×5 мкм² [12].

 

Также возможна контурная пластика. С помощью этого метода было продемонстрировано значительное увеличение пропускной способности изготовления до 95% по сравнению с обычным режимом полнообъемного структурирования при серийном производстве микролинз, с временем 
1–5 с на объектив [12].

 

Проиллюстрирована соответствующая структура HAR 43:1 (см. правую верхнюю позицию рис. 11) для цилиндроподобного элемента высотой 1,7 мм и диаметром 2 мм. Производительность изготовления для этого типа конструкций составила 3,6 мм³/ч.

 

Следует отметить, что продемонстрированное соотношение сторон 43:1 не является верхним пределом. При использовании оптимизированной генерации конструкции, даже при боковых размерах порядка субмикрометра, возможны более высокие соотношения сторон [12].

 

Благодаря высокому разрешению печати и масштабируемости по размеру, сложности, форме обрабатываемой подложки процесс HP3DP будет все чаще применяться в промышленных приложениях. Поскольку процесс HP3DP позволяет создавать компоненты с разрешением ниже дифракционного предела, которые масштабируются в общем размере от субмикрона до сантиметрового диапазона, 3D-печать поверхностей оптического качества в микрооптических приложениях является основной областью применения [12].
Возможность изготовления конструкций с соотношением сторон до 43:1 и управления фокусировкой приводит к сверхвысокому качеству микрооптики и других компонентов, которые невозможно изготовить с использованием обычных методов обработки [12].

 

 

Заключение

 

Ведущий мировой производитель волоконных лазеров НТО «ИРЭ-Полюс» / IPG (Россия — США) предлагает сегодня компактные и надежные пико- и фемтосекундные лазеры со средней мощностью от 1 до 100 Вт, с частотой от 10 кГц до 3 МГц. Широкую линейку лазеров с короткими и сверхкороткими импульсами для промышленной обработки материалов предлагает также мировой лидер — немецкая компания TRUMPF. Нано-, пико- и фемтосекундные лазеры разрабатываются и производятся в России, в частности, компаниями «Инверсия-Файбер», «Оптосистемы» и «Авеста-Проект», «НордЛэйз».

 

Разработка удобных в использовании, недорогих сверхбыстрых волоконных лазеров микроджоулевого диапазона в настоящее время превращает этот метод в широко распространенный инструмент промышленной обработки. Области применения варьируются от резки и сварки стекла до создания подповерхностных оптических волноводов. Фемтосекундная лазерная микрообработка предлагает отличительные возможности для 3D-обработки, независимой от материала и длины волны, а также позволяет изготавливать 3D-структуры из прозрачных материалов, таких как стекло, с гораздо большей простотой, чем литография.

 

Область микрообработки ультракороткими фемто- и пикосекундными лазерами развивается быстрыми темпами и обещает большие возможности.

 

 

Авторы:

А. Г. Игнатов, федеральный эксперт Минобрнауки и Коллегии национальных экспертов (КНЭ) России и стран СНГ по лазерам и лазерным технологиям,
научный сотрудник НИЦ (РВиА) Михайловской военной артиллерийской академии (МВАА), 
И. А. Спивак, к. т. н., начальник  отдела НИЦ (РВиА) МВАА,
Н. В. Буров, генеральный директор АО «ЛЛС»

 

 

Литература
1.    Хоган Х. Тенденции в области промышленных лазерных решений // URL:    https://лазер.рф/2019/01/14/10870/.
2.    ООО «ФемтоВижн»: вторая жизнь титан-­сапфира // ЛазерИнформ. № 15–16 (702–703). Август 2021. С. 1–3.
3.    Hoffman D., Limpert J., Thoss A. Ultrashort-­pulsed laser sources with kilowatt power for industrial applications / Laser Focus World 2020. № 1. Р. 65–68.
4.    Mayerhofer R., Hosseini A., Rüttimann C. Laser cutting, drilling, and structuring of brittle materials // Industrial Laser Solutions, July/August 2015. Р. 27–30 // URL: www.industrial-­lasers.com.
5.    Yavas S. Femtosecond laser glass processing // Industrial Laser Solutions. January/February 2015. P. 23–26 // URL: www.industrial-­lasers.com.
6.    Лазерная маркировка материалов // А. Валиулин, С. Горный, Ю. Гречко и др./ Фотоника.  2007. № 3. С. 16–22.
7.    Клочков А. А. Лазерная маркировка — новое слово в борьбе с контрафактной продукцией // Производство спирта и ликеро-водочных изделий. 2005. № 2. С. 18–19.
8.    Васильев А.С., Ганюченко В. М., Смирнов Н. В. и др. Некоторые технологические аспекты лазерной резки кварцевого и высококремнеземного стекла // Новое электросварочное оборудование и прогрессивные технологии сварки: Тезисы докл. Всесоюзн. семинара. г. Тбилиси. Май 1986 г.
9.    Ганюченко В.М., Нестеров В. А., Смирнов Н. В. и др. Лазерная резка промышленных изделий из кварцевого стекла и плавленного кварца // Применение лазеров в народном хозяйстве: Тезисы докладов Всесоюзной конференции в г. Звенигороде.Март 1985 г. М.: Наука, 1985. С. 104–106.
10.    Ганюченко В.М., Нестеров В. А., Смирнов Н. В. и др. Особенности лазерной резки изделий из плавленного кварца и высококремнеземного стекла // Применение лазерной технологии для повышения качества изделий: Тезисы докладов 4 Уральской конференции в г. Тюмени. 3–5 июня 1985 г. Тюмень, 1985. С. 63–65.
11.    Hollister T., Bovatsek J. Glass microwelding with ultrashort-­pulse lasers // Laser Focus World 2021. № 8. Р. 20–24.
12.    Focused femtosecond pulses print optical components with subdiffraction-­limited resolution / B.Stender, F. Hilbert, J. Wiedenmann, e. a. // Laser Focus World. 2019. №12. Р. 43–45.

 

 

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 1-2022