Способ лазерного формирования изображений в твердых средах

 

Способ относится к лазерной обработке твердых материалов. Способ основан на явлении объемного пробоя прозрачных сред при взаимодействии сфокусированного в их объеме лазерного излучения с плотностью мощности, превышающей пороговое значение объемного пробоя материала. Способ обеспечивает качественное улучшение параметров обработанных изделий и их долговечность. Преимущество этого способа в том, что сформированное изображение в объеме образца практически невозможно повредить даже при нарушении целостности поверхности образца. 3 ил.

Изобретение относится к лазерной обработке твердых материалов, в частности к обработке твердых прозрачных сред.

Известен способ формирования изображений в твердых телах, наиболее близкий по решению технической задачи к предполагаемому изобретению. Суть этого способа заключается в фокусировке мощного импульсного или непрерывного лазерного излучения в заданной точке объема твердых образцов и сканировании лазерного луча по заданному закону с помощью программируемой системы отклонения лазерного луча или при перемещении обрабатываемого образца относительно лазерного луча по заданному закону. Способ позволяет формировать изображения в любых твердых образцах. При этом размеры получаемого изображения ограничены только возможностями системы отклонения лазерного луча или возможностями системы перемещения образца.

Недостатком данного способа является нарушение целостности поверхности образца, за счет чего возможно получение только плоскостных изображений на поверхности твердых материалов и, соответственно, невозможность формирования объемных изображений в материале образца вследствие достижения пороговой плотности мощности пробоя материала образца на его поверхности.

Целью изобретения является сохранение целостности поверхности и объема прозрачного образца до заданной точки в его объеме.

Цель достигается тем, что в известном способе лазерного формирования изображений в твердых средах, заключающемся в фокусировке лазерного излучения в заданной точке образца и перемещении образца относительно лазерного луча по заданному закону, в соответствии с предлагаемым изобретением фокусировку лазерного излучения осуществляют в заданной точке в объеме образца, после чего производят облучение образца с плотностью мощности, превышающей пороговое значение объемного пробоя материала, и осуществляют перемещение образца относительного лазерного луча в трех взаимно перпендикулярных направлениях.

Предполагаемое изобретение основано на явлении объемного пробоя прозрачных сред при воздействии сфокусированного в их объеме лазерного излучения с плотностью мощности, превышающей значение пороговой плотности мощности объемного пробоя материала. Лазерное излучение, сфокусированное в заданную точку в объеме образца при одновременном выполнении условий W_об.^лаз. ≥ W_об.^пор. и W_пов^л_.^аз.< W_пов.^пор., где W_об.^лаз. - плотность мощности лазерного излучения в заданной точке объема образца; W_об.^пор. - пороговая плотность мощности объемного пробоя материала образца; W_пов.^лаз. - плотность мощности лазерного излучения на поверхности образца; W_пов.^пор. - пороговая плотность мощности поверхностного пробоя материала образца, вызывает объемный пробой материала. При этом сохраняется целостность поверхности образца и его объема вне зоны фокусировки лазерного излучения, так как и на поверхности, и в объеме образца вне зоны фокусировки плотность мощности не превышает пороговых значений. Трехмерное изображение в объеме образца формируется при перемещении образца относительно лазерного луча по заданной программе.

Поскольку пороговое значение плотности мощности поверхностного пробоя для прозрачных сред имеет меньшую величину, чем для объемного пробоя (например, для кристаллического кварца W_пов.^пор. = 1,95x x10¹⁰Вт/см², а W_об.^пор. = 3,10 x10¹⁰ Вт/см², реализация способа связана с необходимостью использования для фокусировки короткофокусных оптических систем.

На фиг. 1 приведена структурная схема установки для реализации предложенного способа. Излучение лазера 1 фокусируется оптической системой 2 в заданную точку в объеме обрабатываемого образца 3, размещенного на подвижной платформе 4. Перемещение платформы с образцом относительно лазерного луча в трех взаимно перпендикулярных направлениях осуществляется тремя шаговыми двигателями 5, 6, 7 по заданной программе с помощью микроЭВМ 8.

На фиг. 2 приведена структурная схема другой установки, с помощью которой также возможна реализация предлагаемого способа.

При облучении образца 3 (фиг. 2) излучением импульсного лазера 1 с аналогичными параметрами формирование заданного трехмерного изображения в объеме образца без разрушения его поверхности и объема вне зоны фокусировки осуществляется путем сканирования лазерного луча в трех взаимно перпендикулярных направлениях системой 2 фокусировки и отклонения лазерного луча по заданной программе 9.

Способ был опробован в лабораторных условиях на предлагаемой установке (фиг. 1).

Излучение импульсного лазера 1 на АИГ: Nd³⁺ ИЗ-25 в режиме модулированной добротности с длительностью импульса 10 нс и мощностью 1 МВт фокусировалась оптической системой 2 с фокусным расстоянием 50 мм в заданную точку в объеме образца 3 из стекла К8 на глубине ≥ 5 мм. При диаметре пятна фокусировки 50 мкм плотность мощности излучения в объеме образца составляет 4x10¹⁰ Вт/см², что превышает пороговую плотность мощности объемного пробоя материала образца. В то же время оценка поверхностной плотности мощности лазерного излучения из соображений геометрической оптики дает величину 0,04x10¹⁰ Вт/см², что меньше порога поверхностного пробоя материала образца. При перемещении образца в трех взаимно перпендикулярных направлениях относительного лазерного луча с помощью трех шаговых двигателей, управляемых микроЭВМ, осуществляется формирование заданного трехмерного изображения в объеме образца без разрушения его поверхности и объема вне зоны фокусировки лазерного луча.

На фиг. 3 представлен вид детали из стекла К8, обработанной в соответствии с предполагаемым изобретением. Ширина линий изображения зависит от энергии лазерного импульса и параметров фокусирующей системы и может составлять ≈10 мкм при однократном проходе. При многократном проходе одного и того же участка образца ширина линий может достигать 1 - 2 мм и более. Формирование изображения с помощью импульсного лазерного излучения позволяет получать изображение, состоящее как из набора отдельных точечных неперекрывающихся зон поражения, так и состоящие из сплошных линий при перекрывании зон пробоя от отдельных лазерных импульсов. При этом применение короткофокусных систем улучшает качество изображения из-за значительного градиента плотности мощности в каустике системы и связанного с этим уменьшением флуктуаций положения зоны объемного пробоя образца.

Как видно из приведенного примера, предлагаемый способ позволяет получить трехмерное изображение в объеме прозрачного образца без разрушения его поверхности и объема вне зоны фокусировки лазерного излучения за счет существенных отличительных признаков: фокусировки лазерного излучения в заданной точке в объеме образца, облучения образца с плотностью мощности, превышающей пороговое значение объемного пробоя материала, и перемещения образца относительно лазерного луча в трех взаимно перпендикулярных направлениях по заданной программе.

Предлагаемое изобретение найдет широкое применение для обработки прозрачных твердых образцов с целью формирования заданных изображений (например, для высокоточного нанесения штрихов, нанесения меток, художественной обработки различных сортов стекла и ювелирных изделий из драгоценных и полудрагоценных камней и т. д. ), особенно в тех случаях, когда необходимо получать заданные трехмерные изображения в объеме образцов без разрушения их поверхности и объема вне заданного изображения. Изобретение может применяться также и для формирования изображений в средах, непрозрачных в видимом спектральном диапазоне. Для этого необходимо только, чтобы обрабатываемый материал обладал достаточным пропусканием в области генерации используемого лазера.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа по сравнению с базовым объектом, характеризующим мировой уровень развития техники, в качестве которого в данном случае выбран прототип, заключается в том, что обеспечивается качественное улучшение параметров обработанных изделий. Во-первых, сформированное изображение в объеме образца практически невозможно повредить даже при нарушении целостности поверхности образца, что резко повышает долговечность и срок эксплуатации изготовленных изделий. Во-вторых, предлагаемый способ обеспечивает формирование трехмерных изображений в объеме обрабатываемого образца без нарушения целостности его поверхности и объема вне зоны фокусировки лазерного излучения, что невозможно в прототипе. (56) Авторское свидетельство СССР N 321422, кл. С 03 С 23/00, 1970.

Формула изобретения

СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ТВЕРДЫХ СРЕДАХ, заключающийся в фокусировке лазерного излучения в заданной точке в объеме образца и перемещении образца относительно лазерного луча по заданному закону, отличающийся тем, что, с целью сохранения целостности поверхности образца и его объема до заданной точки и формирования трехмерных изображений, производят облучение образца с плотностью мощности, превышающей пороговое значение объемного пробоя материала, и осуществляют перемещение образца относительно лазерного луча в трех взаимно перпендикулярных направлениях.

РИСУНКИ

Рисунок 1