Способ пробивки микроотверстий лазерным импульсным излучением

Изобретение относится к области лазерной обработки материалов и может быть использовано для пробивки отверстий малого диаметра для оптических диафрагм, пространственных фильтров и растров. Техническим результатом данного изобретения является получение микроотверстий малого диаметра (10-30 мкм) с высоким качеством стенок. Пробивку микроотверстий осуществляют лазерным импульсным излучением, фокусируемым на обрабатываемую заготовку. Заготовка представляет собой пластину основного материала, обе поверхности которой покрыты слоями вспомогательного материала. Используют фемтосекундное лазерное излучение, которое перемещают по поверхности заготовки по перпендикулярным друг другу линиям, в точках пересечения которых формируют отверстия. Вспомогательные слои после обработки удаляют.

 

Изобретение относится к области лазерной обработки материалов и может быть использовано для пробивки отверстий малого диаметра для оптических диафрагм, пространственных фильтров и растров.

Известен способ, реализованный в устройстве для лазерной пробивки отверстий в материалах, включающем в себя лазерную установку, снабженную селектирующим элементом, выделяющим азимутальную моду поляризации. При этом в каждой точке лазерного пучка поляризация является линейной и перпендикулярной прямой, соединяющей данную точку и центр пучка (см. Патент РФ №2208504, кл. В23К 26/38, H01S 3/08, А61В 17/22, 2005).

Недостатком данного изобретения является то, что указанное устройство предполагает использование СO₂ лазера с длительностью импульса излучения 250 мкс и энергией в импульсе 0,5 Дж. При таких параметрах воздействия пробивка отверстия в металлах предполагает наличие расплава и прогрев значительного объема материала, что препятствует формированию отверстий малого диаметра.

Известен способ лазерной пробивки отверстий, при котором сфокусированным импульсным лазерным излучением осуществляют последовательную пробивку отверстий, изменяя в пределах каждой серии импульсов энергию и пространственную форму распределения мощности излучения, а для повышения качества отверстий в пределах каждой серии импульсов изменяют длину волны излучения (см. Патент РФ №1718487, кл. В23К 26/00, 1994).

Недостатками данного способа являются узкая направленность на обработку только диэлектриков, покрытых медью (печатных плат), и недостаточно малый диаметр пробиваемых отверстий (110-120 мкм).

Известен также способ прошивки прецизионных отверстий лазерным излучением, включающий генерирование лазерного излучения путем его возбуждения в одном или более активных элементах, модуляцию добротности резонатора и создание излучения в виде цугов импульсов с помощью лазерного затвора, коллимацию и фокусировку лазерного излучения на обрабатываемую заготовку и управление его интенсивностью в процессе обработки заготовки. Лазерное излучение генерируют с s- или р-поляризацией, направляют его в элемент, который пропускает излучение только в направлении обрабатываемой заготовки, а в процессе управления интенсивностью лазерного излучения увеличивают интенсивность импульсов в цуге по мере заглубления канала отверстия (см. Патент РФ №2192341, кл. В23К 26/38, 2002 (прототип)).

К недостатку вышеуказанного способа можно отнести то, что он предназначен для прошивки в металлах и сплавах отверстий с диаметром не менее 36 мкм, недостаточно для прецизионных оптических элементов.

Техническим результатом данного изобретения является получение микроотверстий малого диаметра (10-30 мкм) и высоким качеством стенок.

Технический результат достигается тем, что в способе пробивки микроотверстий лазерным импульсным излучением, фокусируемым на обрабатываемую заготовку, используют фемтосекундное лазерное излучение, которое перемещают по поверхности заготовки по взаимно перпендикулярным линиям и в точках их пересечения выполняют пробивку отверстий, при этом предварительно на каждую из обеих поверхностей заготовки в виде пластины из основного материала наносят слой из вспомогательного материала, затем вспомогательные слои удаляют травлением, причем при травлении используют травитель, к которому устойчив основной материал пластины.

Способ осуществляют следующим образом. На обе поверхности основного материала наносят слои вспомогательного материала. Комбинация материалов должна быть такова, чтобы основной материал был устойчив к травителям вспомогательного материала, а его толщина обеспечивала жесткость конструкции (например, серебро-медь). В этом случае на обрабатываемую поверхность серебряной пластины толщиной 50 мкм наносят слой меди толщиной 65 мкм. При реализации метода такой толщины вспомогательного слоя достаточно, чтобы он был частично удален при сквозной пробивке основного материала. Это необходимо для предохранения поверхности серебра на площадях между отверстиями от лазерного разрушения и осаждения продуктов абляции. Обратную поверхность серебряной пластины покрывают слоем меди толщиной 20 мкм, для предотвращения разрушения краев выхода получаемого в ней отверстия. Созданную слоистую систему обрабатывают фемтосекундным лазерным излучением с длительностью импульса 300 фс и энергией в импульсе 150 мкДж при частоте повторения импульсов 10 кГц и скорости движения лазерного пучка по поверхности 15 мм/с. В зависимости от требуемых размеров отверстий лазерное излучение фокусируют на поверхность заготовки в пятно от 10 мкм до 30 мкм. При такой комбинации параметров лазерного воздействия устанавливается эффективный режим лазерной абляции. Линии лазерного воздействия перпендикулярно пересекаются в заданных точках. При одинаковой толщине слоя удаляемого лазерным излучением материала в области пересечения формируется отверстие с глубиной в два раза больше, чем в других частях траектории движения лазерного пучка. Обработку производят в многопроходном режиме. В результате, при удалении материала толстого вспомогательного слоя на глубину 60 мкм, в точках пересечения линий лазерного воздействия происходит полная пробивка данного слоя и основного материала. Заглубление отверстия в объем тонкого вспомогательного слоя происходит незначительно (на величину 5 мкм) и исключает деформирование серебряной пластины на выходе отверстия. Далее вспомогательные слои меди удаляют травлением в сульфатном медно-аммиачном травителе. Полученную заготовку армируют каркасом и выкраивают из общего материала. В результате формируют функциональный элемент оптотехники: диафрагма или растр.

Таким образом, предложенный способ позволит получить качественные микроотверстия малого диаметра для оптических элементов: диафрагм, пространственных фильтров и растров.

Способ пробивки микроотверстий лазерным импульсным излучением, фокусируемым на обрабатываемую заготовку, отличающийся тем, что используют фемтосекундное лазерное излучение, которое перемещают по поверхности заготовки по взаимно перпендикулярным линиям и в точках их пересечения выполняют пробивку отверстий, при этом предварительно на каждую из обеих поверхностей заготовки в виде пластины из основного материала наносят слой из вспомогательного материала, затем вспомогательные слои удаляют травлением, причем при травлении используют травитель, к которому устойчив основной материал пластины.