Разработка и исследование способа разделения прозрачных хрупких диэлектрических материалов излучением лазера на парах меди

При традиционных способах изготовления большинства изделий из стекла (стеклянная тара, элементы мебели, стеклянные ограждения и т. д.) его последующая обработка с целью изменения формы, размеров и качества поверхности практически не производится, поскольку указанные параметры стараются обеспечить на стадии формования (выдувание, вытяжка, прокатка и т. д.). Для других изделий (например, применяемых в электровакуумном производстве и приборостроении) основными методами обработки являются: тепловая обработка в процессе сварки деталей в узлы, направленное нарушение прочности стекла с помощью тепловых, абразивных и твердосплавных инструментов с последующим его разламыванием по намеченному контуру, шлифовка и полировка с целью обеспечения высокой точности и химические методы обработки. В этом случае основными физическими свойствами стекла, предопределяющими использование этих методов, являются хрупкость при нормальной температуре, высокая пластичность, плавно меняющаяся в широком диапазоне температур, начиная от температуры стеклования (размягчения), и химическая неустойчивость. Эти технологические процессы известны давно и доведены в настоящее время до максимальной простоты и совершенства.

Отдельно следует рассматривать лазерную технологию обработки стекла, при которой отсутствует механическое воздействие инструмента (луча) на материал. Данная технология использует кроме указанных ещё и оптические свойства стекла, тем самым значительно расширяя возможности его обработки. Лазерная обработка прозрачных хрупких диэлектриков (стекло, сапфир, алмаз, рубин и др.) является постоянно развивающимся и важным методом обработки для электронной промышленности, электровакуумного производства и приборостроения. Операции лазерного разделения хрупких материалов, применяемые в указанной области, обеспечивают требуемые высокие показатели чистоты получаемых изделий, точности геометрии и качества обработанных поверхностей. В этой области применяются различные типы лазеров, и для каждого случая обработки доминирующим является тот или иной механизм разделения материала: абляция или термоупругое разрушение. С помощью лазерного излучения могут выполняться следующие технологические процессы: скрайбирование, управляемое термораскалывание, сварка, возгонка отверстий, сквозное разделение стекла с одновременным оплавлением краёв и объемная обработка. Лазерное скрайбирование представляет собой локальное ослабление прочности стекла, не приводящее к самопроизвольному его разделению, с последующим механическим разламыванием по намеченному контуру. Под управляемым термораскалыванием имеется в виду локальный нагрев листового стекла по заданному контуру, режим которого обеспечивает последующее за нагревом появление трещины в стекле, которая с достаточной точностью следует за перемещающимся следом лазерного луча по поверхности материала. Операции лазерного разделения хрупких материалов, применяемых в электронной промышленности, обеспечивают высокую чистоту получаемых изделий. Поскольку абразивная и алмазная обработка трудно реализуемы в вакууме, лазерная обработка практически не имеет альтернатив при изготовлении полупроводниковых особо чистых изделий. Лазерная сварка стекла и другие операции, связанные с его расплавлением, отличаются от известных процессов только ограниченной областью нагрева и, так же, как возгонка отверстий и сквозное разделение, не нуждаются в общих пояснениях. Кроме того, в последнее время всё более широкое распространение приобретает лазерная объёмная обработка стекла. Данная технология является уникальной в том смысле, что в процессе обработки импульсное лазерное излучение фокусируется в объём материала, и в стекле образуются внутренние микроразрушения, при этом поверхность материала остаётся не затронутой воздействием. Таким образом, путём периодической фокусировки импульсного лазерного луча в стекло создаётся совокупность микроразрушений, представляющая собой определённую пространственную картину. Несмотря на то, что целенаправленное формирование микроразрушений на поверхности и в объеме прозрачных материалов началось исследователями ещё в конце 80-х годов прошлого столетия, к настоящему времени не сформировано конкретного системного решения проблемы лазерной обработки материалов, прозрачных для лазерного излучения. Опубликованные по этой теме материалы имеют, за небольшим исключением, характер реклам, патентных описаний и кратких сообщений о возможности осуществления технологических операций—без детального анализа происходящих при этом физических процессов. Также актуальной является задача о создании инициатора разрушения для получения целенаправленного разрушения в процессе лазерного термораскалывания, поскольку в работах, посвященных технологии термораскалывания этому вопросу уделяется недостаточно внимания.

Наиболее часто применяемыми для обработки являются С02-лазеры, эксимерные лазеры, твердотельные лазеры с неодимом и лазеры на парах меди (ЛПМ), в области создания которых за последние несколько лет были достигнуты значительные результаты.

На сегодняшний день лазер на парах меди представляет собой источник мощного (средняя мощность до 100 Вт) импульсного видимого излучения с длиной волны 0,51 и 0,58 мкм, с высокой частотой следования импульсов от 2 до 50 кГц, короткой длительностью импульсов порядка 20 не с высоким качеством, близким к дифракционному (расходимость порядка 0,2 мрад), и высокой пиковой мощностью (от 10 до 1000 кВт). Такое сочетание параметров излучения является идеальной комбинацией для прецизионной микрообработки с испарением практически любых материалов и на сегодняшний день является причиной повышенного интереса к излучению ЛПМ как к технологическому инструменту. При этом современные модели являются простыми в использовании, надежными и обладают низкими эксплуатационными расходами, что также послужило причиной их широкого применения в промышленности для операций пробивки микроотверстий и прецизионной резки металлов.

В настоящее время отсутствует систематизированное представление о возможностях использования импульсно-периодического излучения для обработки прозрачных хрупких диэлектриков. Поэтому в полной мере не используются технологические возможности современных лазеров с указанным типом излучения, в частности, твердотельных лазеров с диодной накачкой и ЛПМ.

В связи с изложенным, исследование процессов взаимодействия излучения лазера на парах меди с прозрачными хрупкими диэлектрическими материалами и разработка способа технологического воздействия данного излучения на указанные материалы при операциях разделения является актуальной задачей.

Данная работа посвящена исследованию и разработке процессов разделения прозрачных хрупких диэлектрических материалов с помощью излучения лазера на парах меди.

Научная новизна заключается в решении проблемы управления технологической обработкой прозрачных хрупких материалов импульсно-периодическим излучением ЛПМ, состоящем в следующем:

1. Установлено, что в случае воздействия импульса излучения ЛПМ с интенсивностью выше критической при превышении термоупругими растягивающими напряжениями предела прочности в прозрачном хрупком материале образуется трещина. Это происходит при превышении температурой и скоростью изменения температуры материала критической величины.

2. Установлено, что для избежания вызванного действием термоупругих напряжений растрескивания поверхности, образованной в процессе резки или прошивки отверстия с удалением материала путем абляции, интенсивность импульса излучения ЛПМ должна обеспечивать нагрев материала выше температуры абляции, но быть ниже критической для образования трещины.

3. Разработан способ двухимпульсной обработки с удалением материалов, для которых нагрев выше температуры абляции не может быть обеспечен одним импульсом ЛПМ с интенсивностью ниже критической, при которой образуется трещина. В этом способе нагрев материала до температуры абляции происходит последовательно двумя импульсами волновых составляющих (0,51 и 0,58 мкм) излучения ЛПМ, интенсивность каждого из которых ниже критической для образования трещины.

Результаты работы были использованы при:

1. Разработке способа и устройства объемной лазерной маркировки прозрачных хрупких материалов, позволяющих повысить разрешение и яркость получаемого изображения путем уменьшения размеров и устранения зоны трещинообразования около разрушения. В способе воздействие на материал происходит двумя импульсами излучения. Первый импульс имеет допороговую интенсивность. Задержка по времени между первым и вторым импульсом сравнима со временем релаксации температурного поля и поля напряжений в материале, возникающих в результате воздействия первого импульса. Второй импульс формирует полость в объеме материала.

2. Проведении модернизации ЛПМ типа «Кулон» с одним активным элементом на основе разработанных технических требований к лазерному технологическому оборудованию. Определены зависимости средней мощности и расходимости излучения от параметров используемого резонатора.

3. Определении диапазона параметров излучения ЛПМ и соответствующих элементов лазерного оборудования, необходимых для процессов разделения различных марок стекла, алмаза, рубина, сапфира.

4. Расчете, изготовлении и исследовании объективов для фокусировки излучения ЛПМ с двумя длинами волн. В результате проведенных расчетов и экспериментов получены значения размера пучка излучения ЛПМ в фокусе ахроматических склеенных двухлинзовых объективов с различным фокусным расстоянием.

5. Создании автоматизированного лазерного технологического комплекса на базе ЛПМ в ФГУП «НПП «Исток», г. Фрязино для прецизионной обработки прозрачных материалов, в состав которого вошли разработанные устройства.

Основные материалы работы опубликованы в 3-х печатных работах. Материалы работы составили также содержание соответствующих глав 3-х научно-технических отчетов по НИР и ОКР.

Результаты работы докладывались на:

— Конференции «Лазерные системы и их применение. Лазерные системы'2004», Кострома, 29 июня-1 июля 2004 г.

— Международном симпозиуме «Образование через науку», Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана, 17−19 мая 2005 г.

— Научных семинарах кафедры «Лазерные технологии в машиностроении» (МТ-12) МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002;2005 гг. t.

5.5. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Так как при взаимодействии излучения ЛПМ высокой интенсивности (>108 Вт/см2) с образцами обычной чистоты широкого ряда хрупких материалов: стекло, кристаллический кварц, сапфир и др. преобладает механизм локального поглощения на неоднородностях с повышенным коэффициентом поглощения, то эффективность поглощения, а, значит, и процесса обработки, определяется количеством и характеристиками дефектов, определяющими оптическое качество материала.

2. Разрушение с образованием трещины при локальном поглощении излучения лазера на парах меди прозрачным хрупким диэлектриком возникает при превышении растягивающими термонапряжениями предела прочности материала. Это происходит при превышении температурой и скоростью изменения температуры материала критической величины. Данные условия выполняются при превышении интенсивностью излучения критической величины, определяемой свойствами материала.

3. Теоретически и экспериментально установлено, что при воздействии излучения ЛПМ на прозрачные хрупкие материалы типа стекол при появлении трещиноватого разрушения его размер пропорционален энергии импульса и зависит от параметров фокусировки. Установлено влияние параметров излучения ЛПМ на результат обработки в случае формирования как объемных, так и поверхностных дефектов в материале.

4. Приведена классификация по необходимой интенсивности излучения процессов обработки излучением ЛПМ ряда прозрачных хрупких диэлектрических материалов: 1−10 ГВт/см2—скрайбирование, 5−50 ГВт/см2— резка и пробивка отверстий, >25 ГВт/см2—формирование изображения в объеме материала.

5. Расчетным путем установлено, что с помощью воздействия на материал двух импульсов излучения с периодом ~ десятков не появляется возможность расширения технологических возможностей обработки рассматриваемых материалов излучением ЛПМ. Предлагаемый способ заключается в управлении характером (гладкое или трещиноватое) разрушения, производимого вторым импульсом, путем выбора требуемой величины задержки между импульсами и интенсивности 1-го и 2-го импульса. Предложено устройство для реализации способа.

6. Разработана технология получения с помощью излучения ЛПМ плоских изображений в стекле, состоящих из отдельных объемных микроразрушений. Технология обеспечивает получение трещиноватых микроразрушений размером от 50 до 300 мкм с расстоянием между ними от 15 мкм в зависимости от требуемых разрешения и яркости изображения.

7. При скрайбировании, пробивке отверстий и резке прозрачных хрупких диэлектриков излучением ЛПМ удаление материала происходит путем абляции. Так как глубина распространения тепла за время действия импульса излучения ЛПМ для рассматриваемых материалов составляет ~1 мкм, то значение диаметра отверстия или ширииы реза практически определяется диаметром луча с интенсивностью выше пороговой для абляции. Типичные значения указанных размеров составляют 10−30 мкм.