МИКРООБРАБАТЫВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ МОНИТОРИНГА ПРОЦЕССА МИКРООБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА НЕЁ ИНТЕНСИВНЫМИ СФОКУСИРОВАННЫМИ ФЕМТОСЕКУНДНЫМИ ЛАЗЕРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ Российский патент 2025 года по МПК G02B27/10 B23K26/03 B23K26/144 

Область техники

Заявляемое изобретение относится к микроскопии быстропротекающих процессов, а именно к нелинейно-оптической микроскопии с использованием в качестве элемента невозмущающей (неразрушающей) диагностики приповерхностных модификаций, создаваемых остросфокусированным интенсивным фемтосекундным лазерным излучением, работающим как в режиме одиночных импульсов, так и в импульсно-периодическом режиме вплоть мегагерцовой частоты повторений, и может быть использовано, например, для проведения неразрушающего контроля и диагностики приповерхностной микроплазмы, динамики процесса формирования кратера и микроканала в твердотельных мишенях в режиме реального времени.

Уровень техники

Фемтосекундные лазеры в настоящее время стали инструментом для микрообработки материалов и широко используются как в фундаментальных исследованиях, так и в технологических приложениях. При лазерно-стимулированном удалении вещества, плотность энергии (интенсивности) лазерного импульса в несколько раз превышает порог абляции; для традиционной фемтосекундой лазерной микрообработки типичны плотности энергии от долей до нескольких десятков Дж/см². При такой плотности энергии, временные и пространственные характеристики лазерного пучка могут существенно изменяться из-за эффектов нелинейного распространения в воздухе. Такой режим приводит, например, к энергетической зависимости диаметра абляционного кратера. Известно, что для фокусных расстояний, обычно используемых при лазерной обработке, от десятков до сотен миллиметров, основным фактором, первоначально искажающим параметры пучка при распространении, является именно плазменная дефокусировка [R.Yamada, W.Komatsubara, H.Sakurai, K.Konishi, N.Mio, J.YYumoto, M.Kuwata-Gonokami, Simulation of nonlinear propagation of femtosecond laser pulses in air for quantitative prediction of the ablation crater shape, Optics Express, 31(5), 7363 (2023); V.A.Aleshkevich , V.M.Gordienko, B.G.Bravy, Intensity delivery to the focal area with tight focusing of a femtosecond laser beam in a gas environment, JOSA B, 40 (5), 1031-1038 (2023)]. Таким образом, эффекты нелинейного распространения вызывают нестабильные модификации лазерного пучка и являются основным фактором, влияющим на качество и размеры микроплазмы, зажигаемой в приповерхностной области мишени при ее фемтосекундной лазерной микрообработке в воздухе в условиях, когда требуется непрерывный контроль для обеспечения заданной точности при реализации процесса.

Известно, что механизм фемтосекундной лазерно-плазменной абляции используется для формирования приповерхностных микромодификаций и микроканалов, а сопровождающая этот процесс микроплазма является источником рентгеновского излучения сверхкороткой длительности [Ахманов С.А., Баянов И.М., Гордиенко В.М., Джиджоев М.С., Краюшкин С.В., Магницкий С.А., Платоненко В.Т., Пономарев Ю.В., Савельев-Трофимов А.Б., Слободчиков Е.В., Генерация пикосекундных рентгеновских импульсов в плотной плазме, создаваемой мощными фемтосекундными лазерными импульсами с длиной волны 308 нм, Квантовая электроника, (18(3), 278 (1991)].

Известны различные способы оперативного контроля процесса лазерной микрообработки твердотельных мишеней, основанные на регистрации сопутствующих оптических эффектов, возникающих в обрабатываемой области. Например, в задачах макроструктурирования оптических волокон с металлическим покрытием излучением низкой интенсивности, для мониторинга результатов лазерной абляции, известен способ сканирования поверхности дополнительным фемтосекундным лазерным пучком, вызывающим двухфотонную люминисценцию [A.Balena, M.Bianko, F.Pisano, M.Pisanello, L.Sileo, B.Sabtini, M. de Vitorio, F.Pisanello, Two-photon fluorescence-assisted laser ablation of non-planar metal surfaces: fabrication of optical apertures on tapered fibers for optical neural interfaces, Optics Express, 28 (15), 21368 (2020)]. В задаче создания рентгеновского микро-источника на базе фемтосекундной плазмы, образующейся при воздействии мощным лазерным излучением, известен способ оптимизации фокусировки излучения, основанный на максимизации амплитуды сигнала второй гармоники излучения, которая появляется в области создаваемой лазерной плазмы [K.-H.Liao, A.Mordovanakis, B.Hou, G.Chang, M.Rever, G. Mourou, J.Nees, A. Galvanauskas, Generation of hard X-rays using an ultrafast fiber laser system, Optics Express, 15 (21), 13942 (2007)]. Однако в этой работе сигнал второй гармоники излучения не был использован для получения данных о размере плазменной области или оценки глубины абляции мишени.

Известен также способ оперативного контроля и корректировки режима фокусировки лазерного излучения низкой интенсивности (вне режима плазмообразования), с использованием сигнала второй гармоники. Этот способ раскрыт в работе [I.Alexeev, J.Strauss, A.Gröschl, K. Cvecek, M.Schmidt, Laser focus positioning method with submicrometer accuracy, Appl. Optics, 52 (3), 415 (2013)]. Особенность этого способа состоит в том, что возможные изменения в лазерном пучке, воздействующем на обрабатываемую мишень, могут регистрироваться. В этой работе описан прямой бесконтактный метод точного определения положения обрабатываемой мишени относительно фокальной плоскости сфокусированного лазерного пучка с использованием синхронно генерируемой с основным излучением третьей или второй гармоники от объекта. В работе [J.Grant-Jacob, B.Mills, M.Zervas, Live imaging of laser machining via plasma deep learning, Optics Express, 31(4), 42581 (2023)] предложен способ мониторинга поверхности мишени при фемтосекундной лазерной абляции одиночными импульсами. В этом способе, полученные с помощью ПЗС камеры изображения модифицированной поверхности на фоне лазерной плазмы, восстанавливаются методом глубокого обучения с использованием цепи обратной связи, когда прямое изображение получить сразу же невозможно. Принципиальная возможность детектирования глубины абляционного кратера с помощью сигнала второй гармоники была показана в [Y.Kim, H.Yoo, V.Nguyen, S. Lee, J.-Y.Park, Y.Ahn, High-Speed Imaging of Second-Harmonic Generation in MoS2, Nanomaterials, 11, 1786 (2021)]. В этой работе контролировалась абляция монослоя и бислоя MoS2, индуцированных фемтосекундным лазером в режиме двухфотонного поглощения существенно более низких плотностей лазерной энергии 30-50 мДж/см² и интенсивностях около10^12 Вт/см², что ниже на полтора-два порядка по сравнению с типичными параметрами, отвечающими лазерно-пламенной микрообработке.

В перечисленных способах существенным недостатком мониторинга процесса микроплазменного приповерхностного образования является необходимость формирования независимого диагностического канала, что предусматривает, во-первых, временную синхронизацию с источником накачки. Во-вторых, возникает и другая трудность, состоящая в необходимости контроля пространственного совмещения силового и диагностического фемтосекундных лазерных пучков с микронной точностью. Третий недостаток заключается в том, что динамика картины состояния микроплазменной поверхности в течение одного акта микроплазменного приповерхностного образования в результате лазерно-плазменного взаимодействия не регистрировалась.

Таким образом, техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в необходимости преодоления недостатков, присущих приведенным выше аналогам, за счет создания устройства микрообработки и универсального способа контроля процесса лазерно-плазменной абляции материала мишени в результате формирования комбинированной схемы накачка-зондирование с использованием одного лазера и проекционного оптического микроскопа для проведения контроля процесса абляции в режиме реального времени (мониторинга процесса микрообработки).

Краткое раскрытие сущности изобретения

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в обеспечении возможности регистрации изменения обратного сигнала второй гармоники из приповерхностной плазмы, индуцированной остросфокусированным пучком фемтосекундного лазера.

Заявленный технический результат достигается тем, что в микрообрабатывающем устройстве, содержащем фемтосекундный лазер, зеркало, объектив, мишень, установленную на позиционере, снабженном двигателем, поляризатор, набор оптических фильтров и детектор излучения, согласно техническому решению, перед мишенью по ходу лазерного луча установлено поворотное дихроичное зеркало, обеспечивающее отражение излучения лазера в сторону мишени и пропускание сигнала второй гармоники видимого диапазона в сторону детектора, представляющего собой цифровую камеру, при этом объектив размещен за дихроичным зеркалом по ходу лазерного луча, а мишень размещена за блоком подачи газа по ходу лазерного луча и установлена с возможностью вращательного и/или возвратно-поступательного перемещения в направлении оси вращения мишени. Его защита от паразитного напыления продуктами абляции обеспечивается блоком подачи газа в область лазерного воздействия. Мишень представляет собой металлический диск или пластину, обращенную к излучению лицевой стороной, или цилиндр, обращенный к излучению боковой поверхностью. Устройство снабжено компьютеризированным блоком управления, к которому подключены блок управления лазером, цифровая камера, и двигатель позиционера. Мишень установлена с возможностью обдува потоком сжатого воздуха или инертного газа из блока подачи газа. Перемещение мишени обеспечено сопряжением двигателя с позиционером. Объектив обеспечивает фокусировку лазерного пучка на мишень для создания в области перетяжки условий формирования микроплазмы с последующим процессом взрывного выноса микромассы материала мишени. Технический результат достигается в результате реализации способа мониторинга процесса микрообработки твердотельных мишеней с использованием устройства по п. 1 формулы изобретения, включающего

- направление на мишень сфокусированного пучка фемтосекундного лазера для организации режима плазмообразования и формирования микрократеров или микроканалов на поверхности мишени,

- генерацию микроплазмы в приповерхностной области мишени в результате поглощения основного лазерного излучения поверхностью мишени,

- излучение второй гармоники основного лазерного излучения, возникающей синхронно с генерацией микроплазмы в приповерхностной области мишени,

- распространение излучения второй гармоники в обратном направлении, относительно направления основного лазерного излучения, через объектив параллельно оси направления основного лазерного излучения и далее через дихроичное зеркало в направлении поляризатора, блокирующего фоновое основное излучение, а также частично отраженное от приповерхностной микроплазмы основное фемтосекундное лазерное излучение, и интерференционного фильтра на длину волны второй гармоники,

- регистрацию цифровой камерой сигнала второй гармоники в результате прохождения его через дихроичное зеркало, пропускающее воздействующее лазерное излучение и отражающее излучение второй гармоники в направлении цифровой камеры, перед которой установлен набор оптических фильтров, выделяющих излучение на длине волны второй гармоники,

- фиксацию изменения параметров микрообработки по изменению сигнала второй гармоники, в том числе, по амплитуде в изображении зарегистрированного цифровой камерой сигнала второй гармоники.

В качестве параметров микрообработки контролируют изменение диаметра микрократера, дискретное изменение его глубины, нестабильность плотности энергии, размер обрабатываемой области.

Заявляемое устройство предусматривает использование лазеров, работающих в широком диапазоне параметров (частота генерации мощность и т.д.). В основе устройства лежит комбинированная схема накачка-зондирование, что обеспечивает сочетание одновременно источника лазерного воздействия и микроскопа, который переносит обратный сигнал второй гармоники, возникающей в приповерхностной плазме под воздействием лазера. Устройство может работать как в воздухе, так и в вакууме. Его компактность определяется конструктивными особенностями используемого фемтосекундного лазера. При использовании фемтосекундного волоконного лазера устройство становится конструктивно компактным и технологически комфортным для реализации способа мониторинга.

Краткое описание чертежей

Заявляемое изобретение поясняется изображением (фиг.1), на котором схематично приведено взаимное расположение элементов устройства при реализации способа.

Позициями на фигуре обозначены:

1 - фемтосекундный лазер,

2 - поворотное зеркало,

3 - дихроичное зеркало,

4 - линза,

5 - блок подачи газа,

6 - мишень,

7 - позиционер,

8 - шаговый двигатель,

9 - поляризатор,

10 - интерференционный фильтр на сигнал второй гармоники,

11 - формирующая изображение линза,

12 - цифровая видеокамера, сопряженная с ПК,

13 - рентгеновский ФЭУ, сопряженный с ПК.

Осуществление изобретения

Для реализации заявляемого способа используют технологическое микрообрабатывающее устройство, представленное на фиг.1. Устройство содержит фемтосекундный лазер ближнего ИК (1мкм) или видимого (0.4-0.8 мкм) диапазона (1), управляемый с помощью блока управления лазером (на фиг. не показан), поворотное зеркало (2), установленное по ходу лазерного луча поворотное дихроичное зеркало (3), отражающее излучение лазера в сторону мишени, линзу - фокусирующий объектив (4), твердотельную (обычно металлическую) мишень (6), установленную на позиционере (7), снабженном шаговым двигателем (8). В предлагаемом устройстве могут быть применены любые коммерчески доступные фемтосекундные лазеры с традиционно используемыми для абляционной обработки материалов энергетическими параметрами в диапазоне 10мкДж-10мДж. Комбинация двигателя с позиционером обеспечивает требуемое для задач микрообработки перемещение мишени относительно оси распространения сфокусированного лазерного пучка. За зеркалом (3) по ходу распространения инфракрасного основного лазерного излучения размещен объектив (4), обеспечивающий фокусировку лазерного пучка на мишень для организации в области перетяжки условий формирования микроплазмы с последующим процессом взрывного выноса микромассы материала мишени (процесс лазерной абляции). Для организации режима минимизации процесса ионизации воздуха (снижения концентрации электронов) в зоне абляционной фемтосекундной лазерной микроообработки установлен также блок подачи инертного газа-гелий (5) в область лазерного воздействия. Излучение второй гармоники основного лазерного излучения, возникающей синхронно с генерацией микроплазмы в приповерхностной области мишени, распространяется в обратном направлении через объектив (4) параллельно оси падения лазерного излучения на мишень (6), затем через дихроичное зеркало (3) в направлении поляризатора (9), который блокирует фоновое основное излучение, а также частично отраженное от приповерхностной микроплазмы основное фемтосекундное лазерное излучение, и далее излучение второй гармоники проходит через интерференционный фильтр настроенный на длину волны второй гармоники (10). Затем изображение пучка второй гармоники переносится линзой (11) на цифровую камеру (12), сопряженную с ПК. Поскольку интенсивность сфокусированного фемтосекундного лазерного пучка на мишени достигает значений более 10 ТВт/см², то приповерхностная микроплазма является источником рентгеновских фотонов, что может служить диагностическим инструментом для оценки вложенной в микрообъем энергии и контролем санитарной безопасности для работающего персонала. Для мониторинга процесса взаимодействия и прецизионной локализации энергии основного лазерного излучения на мишени используется калиброванный рентгеновский ФЭУ (13), например, фирмы Гринстар (РФ), также сопряженный с ПК.

Устройство работает следующим образом.

Микрообработка поверхности мишени с мониторингом проводимого процесса - получение и диагностика формирования микрократеров - происходит в результате использования фемтосекундного лазера ближнего ИК диапазона (1 мкм) с энергией в импульсе 10-1000 мкДж (частота повторения импульсов 1 Гц – 1 МГц) в режиме острой фокусировки лазерного пучка для достижения требуемого значения интенсивности на поверхности мишени, представляющей собой диск, пластину и др., в дискретном режиме при автоматизированном перемещения мишени по заданной программе. При этом область лазерного воздействия может обдуваться потоком сжатого воздуха или инертного газа (гелий) для выноса внешним газовым потоком продуктов абляции из области взаимодействия. Замена воздуха на инертный газ с большим потенциалом ионизации (например, гелий) может быть полезна для уменьшения как потерь по энергии, так и для минимизации влияния ионизации газовой среды, приводящей к дефокусировке сфокусированного лазерного пучка в зоне перетяжки за счет появления электронов в результате ионизации окружающего газа. Использование гелия обеспечивает компенсацию влияния так называемого эффекта ограничения лазерной интенсивности или эффекта “clamping”.

Реализация оперативного контроля (мониторинга) процесса микрообработки поверхности при воздействии на неё интенсивными сфокусированными фемтосекундными лазерными импульсами, происходит на первом этапе в результате прецизионного наведения положения фокуса микрообъектива на мишень. Это контролируется в режиме реального времени по сигналу второй гармоники из микроплазмы, зажигаемой в приповерхностной области мишени, и регистрируется в результате переноса изображения микроплазменной области и, соответственно, пучка второй гармоники из рабочей зоны на ПЗС камеру. На втором этапе формируется микрократер или микроканал. Последнее означает включение режима воздействия на мишень последовательностью однотипных фемтосекундных лазерных импульсов. При заранее заданной лазерной плотности энергии их число задает глубину микроканала. Причем средняя скорость абляции (слой материала, аблируемого за один акт воздействия) определяется устройством по уменьшению сигнала второй гармоники из-за «выхода» лазерного излучения из перетяжки или из релеевской зоны, которая для типичных экспериментальных ситуаций составляет длину около 30-50 мкм.

Характеристики импульсного лазера (длина волны, длительность и частота повторения импульсов, энергия в импульсе, параметры лазерного пучка), а также размер, материал мишени, скорости ее вращения и перемещения вдоль оси вращения зависят от поставленной задачи.

Пример конкретного выполнения

Согласно выполненной оценке с использованием формулы для фокусировки Гауссовых пучков радиус перетяжки сфокусированного (f=3 см) лазерного пучка определяется как r₀=(2⋅М2⋅λƒ)/(π⋅D). Тогда при диаметре исходного пучка D=0.5см и коэффициенте его качества ²=1.2 радиус перетяжки оказывается r₀~5 мкм. При этом максимальная плотность энергии на поверхности мишени, например, для лазерного импульса с энергией E=20 мкДж составляет Е~30 Дж/см², а интенсивность при длительности лазерного импульса около 10^-13 сек оказывается величиной I=E/πr₀²~3⋅10^14 Вт/см². Приведенные параметры вполне обеспечивают эффективный процесс абляции (средняя скорость около 0.5 мкм/имп) в режиме плазмообразования, когда формирование микрократера диаметром около 10мкм сопровождается эффективной генерацией второй гармоники, изображение пучка которой отражает размер области микроплазмы. Известно, что эффективность лазерно-плазменного преобразования во вторую гармонику излучения фемтосекундного лазера определяется величиной порядка 10^-20/I, где I воздействующая на мишень интенсивность, Вт/см². Для приведенных рабочих значений интенсивности эффективность конверсии оказывается порядка 10 ^-6 и полезный сигнал может уверенно регистрироваться.

Фемтосекундная лазерная микроплазма при интенсивности 10^14 Вт/см² сопровождается генерацией рентгеновских фотонов, эффективность генерации которых пропорциональна лазерному энерговкладу в мишень и может также использоваться в качестве диагностического канала процесса взаимодействия лазерного излучения с мишенью.

Изобретение относится к микроскопии быстропротекающих процессов, а именно к нелинейно-оптической микроскопии. Микрообрабатывающее устройство содержит фемтосекундный лазер, зеркало, объектив, мишень, установленную на позиционере, снабженном двигателем, поляризатор, набор оптических фильтров и детектор излучения, при этом перед мишенью по ходу лазерного луча установлено поворотное дихроичное зеркало, обеспечивающее отражение излучения лазера в сторону мишени и пропускание сигнала второй гармоники видимого диапазона в сторону детектора, представляющего собой цифровую камеру, при этом объектив размещен за дихроичным зеркалом по ходу лазерного луча, а мишень размещена за блоком подачи газа по ходу лазерного луча и установлена с возможностью вращательного и/или возвратно-поступательного перемещения в направлении оси вращения мишени. Технический результат - регистрация изменения обратного сигнала второй гармоники из приповерхностной плазмы. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Микрообрабатывающее устройство, содержащее фемтосекундный лазер, зеркало, объектив, мишень, установленную на позиционере, снабженном двигателем, поляризатор, набор оптических фильтров и детектор излучения, отличающееся тем, что перед мишенью по ходу лазерного луча установлено поворотное дихроичное зеркало, обеспечивающее отражение излучения лазера в сторону мишени и пропускание сигнала второй гармоники видимого диапазона в сторону детектора, представляющего собой цифровую камеру, при этом объектив размещен за дихроичным зеркалом по ходу лазерного луча, а мишень размещена за блоком подачи газа по ходу лазерного луча и установлена с возможностью вращательного и/или возвратно-поступательного перемещения в направлении оси вращения мишени.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что мишень представляет собой металлический диск или пластину, обращенную к излучению лицевой стороной, или цилиндр, обращенный к излучению боковой поверхностью.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено компьютеризированным блоком управления, к которому подключены блок управления лазером, цифровая камера и двигатель позиционера.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что мишень установлена с возможностью обдува потоком сжатого воздуха или инертного газа из блока подачи газа.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что перемещение мишени обеспечено сопряжением двигателя с позиционером.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что объектив обеспечивает фокусировку лазерного пучка на мишень для создания в области перетяжки условий формирования микроплазмы с последующим процессом взрывного выноса микромассы материала мишени.

7. Способ мониторинга процесса микрообработки твердотельных мишеней с использованием устройства по п. 1, включающий:

- направление на мишень сфокусированного пучка фемтосекундного лазера для организации режима плазмообразования и формирования микрократеров или микроканалов на поверхности мишени,

- генерацию микроплазмы в приповерхностной области мишени в результате поглощения основного лазерного излучения поверхностью мишени,

- излучение второй гармоники основного лазерного излучения, возникающей синхронно с генерацией микроплазмы в приповерхностной области мишени,

- распространение излучения второй гармоники в обратном направлении, относительно направления основного лазерного излучения, через объектив параллельно оси направления основного лазерного излучения и далее через дихроичное зеркало в направлении поляризатора, блокирующего фоновое основное излучение, а также частично отраженное от приповерхностной микроплазмы основное фемтосекундное лазерное излучение, и интерференционного фильтра на длину волны второй гармоники,

- регистрацию цифровой камерой сигнала второй гармоники в результате прохождения его через дихроичное зеркало, пропускающее воздействующее лазерное излучение и отражающее излучение второй гармоники в направлении цифровой камеры, перед которой установлен набор оптических фильтров, выделяющих излучение на длине волны второй гармоники,

- фиксацию изменения параметров микрообработки по изменению сигнала второй гармоники, в том числе по амплитуде в изображении зарегистрированного цифровой камерой сигнала второй гармоники.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что в качестве параметров микрообработки контролируют изменение диаметра микрократера, дискретное изменение его глубины, нестабильность плотности энергии, размер обрабатываемой области.