Описание изобретения.

Область техники

Изобретение относится к области квантовой электроники, к лазерной обработке материалов, а именно, к формированию прецизионных отверстий в оптически прозрачной пленке сверхкоротким импульсом лазера.

Предшествующий уровень техники

В последние годы значительно увеличилось число публикаций о применении лазеров со сверхкоротким импульсом для обработки материалов. Применение лазеров с импульсом длительностью до 10 ^" с имеет преимущество, так как сверхкороткий импульс лазера оказывает точечное воздействие.

Известен патент США N°7807942, в котором для формирования цилиндрического отверстия сверхкоротким импульсом лазера используется специальный объектив, увеличивающий глубину фокуса системы для формирования цилиндрических отверстий (полостей) в прозрачном материале. Однако такой объектив является дорогим, сложным в юстировке и чувствительным оптическим элементом.

Известна заявка WO2013138802, в которой описан метод обработки прозрачного материала лазерным лучом. В этом методе луч фокусируют в объем образца на расстоянии от поверхности и производят разрушение в образце за счет эффекта самофокусировки. Однако при самофокусировке или самоканалировании только около 15% энергии пучка фокусируется в канал, формирующий разрушения в материале. Сам канал является нестабильным образованием из-за нелинейности эффекта самофокусировки. Этот метод позволяет разрушить или ослабить объемный материал, но непригоден для формирования прецизионных отверстий в пленке.

Задачей изобретения является разработка установки и способа формирования цилиндрических отверстий диаметром не более 5 мкм в пленке толщиной до 100 мкм. Раскрытие изобретения

Способ формирования прецизионных отверстий в оптически прозрачной пленке сверхкоротким импульсом лазерного излучения, толщина пленки до 100 мкм, при котором сверхкороткий импульс лазерного излучения фокусируют установленным в воздухе объективом с числовой апертурой не менее 0,33, сверхкороткий импульс лазерного излучения фокусируют через прозрачную для лазерного излучения среду с коэффициентом преломления не менее 1,5, в фокальную перетяжку, длина которой пропорциональна толщине слоя среды до фокуса при параксиальной аппроксимации, длина фокальной перетяжки больше толщины пленки, оптически прозрачную пленку помещают в фокальную перетяжку так, чтобы фокальная перетяжка перекрывала часть пленки, в которой формируют отверстие, устанавливают энергию сверхкороткого импульса лазерного излучения такой, чтобы плотность энергии лазерного излучения в области фокальной перетяжки превышала порог разрушения материала пленки. При фокусировке импульса лазера объективом в глубине прозрачного для лазерного излучения материала с коэффициентом преломления больше 1 периферийные лучи фокусируются не в сферу с малым диаметром, а в цилиндрический объем или фокальную перетяжку, возникающую за счет преломления лучей на границе воздух - материал. Длина фокальной перетяжки, в которой возникают условия разрушения материала, Δ определяется по фо муле

где п - коэффициент преломления материала;

NA - апертура объектива;

fd - глубина фокуса в материале при параксиальной аппроксимации. Диаметр фокальной перетяжки пропорционален длине волны. При плотности энергии в фокальной перетяжке большей, чем плотность энергии связи молекул материала, во всем цилиндрическом объеме возникают условия для разрушения материала. Длина фокальной перетяжки пропорциональна толщине слоя среды до фокуса при параксиальной аппроксимации. При величине апертуры объектива не меньше 0,33 и коэффициенте преломления не меньше 1,5 длину фокальной перетяжки можно сделать больше, чем толщина оптически прозрачной пленки. При размещении оптически прозрачной пленки в области фокальной перетяжки так, чтобы фокальная перетяжка перекрывала часть пленки, в которой формируется отверстие, и подаче энергии импульса такой, чтобы плотность энергии лазерного излучения в области фокальной перетяжки превышала порог разрушения материала пленки, отверстие в пленке можно получить одним импульсом лазера. Необходимо отметить, что в фокальную перетяжку в зависимости от значений апертуры, коэффициента преломления, глубины фокусировки можно сфокусировать до 40% энергии импульса. Предлагаемый способ позволяет предсказуемо, с эффективным использованием энергии лазерных импульсов формировать прецизионные отверстия в оптически прозрачной пленке толщиной до 100 мкм, причем каждое отверстие может быть сформировано одним импульсом.

Устройство формирования прецизионных отверстий в оптически прозрачной пленке сверхкоротким импульсом лазерного излучения, содержащее источник сверхкоротких импульсов лазерного излучения, оптическую систему формирования и ведения луча, объектив с числовой апертурой не менее 0,33, установленный в воздухе, толщина пленки до 100 мкм, устройство содержит прозрачную для лазерного излучения среду с коэффициентом преломления не менее 1.5, пленка установлена за слоем среды так, что фокус объектива при параксиальной аппроксимации расположен перед пленкой, геометрический фокус граничных периферийных лучей объектива расположен за пленкой. Пленка и материал среды прозрачны для лазерного излучения. При фокусировке импульса лазера объективом через среду с коэффициентом преломления не меньше 1.5 периферийные лучи фокусируются в цилиндрический объем или фокальную перетяжку, возникающую за счет преломления лучей на границе воздух - материал среды. Длина фокальной перетяжки, в которой возникают условия разрушения материала, пропорциональна толщине слоя среды. Диаметр фокальной перетяжки пропорционален длине волны излучения. При величине апертуры объектива не менее 0,33 и коэффициенте преломления не менее 1 ,5 длину фокальной перетяжки можно сделать больше толщины пленки так, чтобы фокус при параксиальной аппроксимации располагался перед пленкой, а геометрический фокус граничных лучей периферийных лучей располагался за пленкой. В этом случае фокальная перетяжка перекроет всю пленку. При плотности энергии в фокальной перетяжке большей, чем плотность энергии связи молекул материала, во всей фокальной перетяжке, представляющей собой цилиндрический объем с высоким аспектным соотношением, возникают условия для разрушения материала, и прецизионное отверстие в пленке можно получить одним импульсом лазера. В фокальной перетяжке при коэффициенте преломления среды 1 ,5 и числовой апертуре 0,33 в зависимости от толщины слоя среды может быть сосредоточено примерно 40% энергии пучка. Таким образом, предлагаемое устройство является эффективным инструментом формирования прецизионных отверстий в оптически прозрачных пленках.

Среда является жидкостью, закрытой от объектива прозрачным материалом с коэффициентом преломления равным коэффициенту преломления жидкости, пленка расположена в жидкости. На поверхности жидкости могут появляться волны, брызги. Для защиты объектива и для исключения помех, вызванных поверхностными волнами, на поверхности жидкости установлен прозрачный материал с коэффициентом преломления равным коэффициенту преломления жидкости. При фокусировке сверхкороткого импульса большой энергии в среде могут возникнуть условия для самофокусировки, кроме того, длина фокальной перетяжки определяется по формуле (1) и больше толщины пленки. Области разрежения, возникающие в жидкости вследствие эффекта самофокусировки при воздействии сверхкороткого импульса лазерного излучения, исчезают, требуемое отверстие получается только в пленке. Жидкость можно использовать в течение длительного времени для формирования множества прецизионных отверстий в пленке. Такое устройство является надежным и может работать долгое время без замены среды.

Устройство содержит систему перемещения пленки хотя бы по одной координате. Для большинства технологических задач нужно, чтобы в пленке было выполнено множество отверстий. Для этого необходимо относительное перемещение пленки и положения фокальной перетяжки. Это можно осуществить, перемещая пленку хотя бы по одной координате.

Оптическая система формирования и ведения луча содержит систему сканирования хотя бы по одной координате. Для формирования множества отверстий в пленке можно использовать систему сканирования луча хотя бы по одной координате. Перемещение пленки по одной координате и сканирование лучом является оптимальным решением для формирования множества отверстий в пленке.

Жидкость - это раствор NaCl в воде. Одним из вариантов устройства является использование в качестве жидкости раствора NaCl в воде. Меняя концентрацию раствора, можно подобрать коэффициент преломления раствора, равный коэффициенту преломления пластины, установленной на поверхности жидкости между жидкостью и объективом.

Среда является плоскопараллельной пластиной материала, фокус объектива при параксиальной аппроксимации расположен за пластиной, числовая апертура объектива не менее 0.5. Другим вариантом исполнения устройства является расположение пленки за пластиной и фокусировка излучения объективом с числовой апертурой не менее 0,5. Фокус объектива при параксиальной аппроксимации расположен за пластиной, поэтому при фокусировке импульса лазерного излучения фокальная перетяжка, возникающая благодаря преломлению излучения на границе материала с коэффициентом преломления не менее 1 ,5, расположена вне пластины. Поэтому пластина не повреждается от воздействия сверхкороткого импульса и может быть использована в течение длительного времени. Числовая апертура объектива не менее 0,5, так как при меньшей апертуре длина фокальной перетяжки будет недостаточной для формирования цилиндрической полости в пленке одним импульсом.

Устройство содержит систему перемещения пленки хотя бы по одной координате. Для большинства технологических задач нужно, чтобы в пленке было выполнено множество отверстий. Для этого необходимо относительное перемещение пленки и положения фокальной перетяжки. Это можно осуществить, перемещая пленку хотя бы по одной координате.

Оптическая система формирования и ведения луча содержит систему сканирования хотя бы по одной координате. Для формирования множества отверстий в пленке можно использовать систему сканирования луча хотя бы по одной координате. Перемещение пленки по одной координате и сканирование лучом является оптимальным решением для формирования множества отверстий в пленке.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является создание способа и устройства, которые позволяют одним сверхкоротким импульсом излучения формировать прецизионное цилиндрическое отверстие в оптически прозрачной пленке толщиной до 100 мкм.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1. представлена схема возникновения фокальной перетяжки.

На Фиг.2. представлена схема устройства формирования отверстий, в котором пленка расположена в жидкости. На Фиг.З. представлена схема устройства формирования отверстий, в котором пленка расположена за прозрачной плоскопараллельной пластиной.

На Фиг. 4 представлены микрофотографии матрицы цилиндрических полостей, каждая из которых сформирована в результате одиночного импульса в объеме материала.

На Фиг.5. представлены фотографии отверстий в оптически прозрачной пленке толщиной 50 мкм, каждое из отверстий сформировано одиночным импульсом. Варианты осуществления изобретения

На Фиг.1. представлен ход лучей при фокусировке лазерного излучения объективом 1 с числовой апертурой NA в среду 2 с коэффициентом преломления п. Параллельный пучок от источника сверхкоротких импульсов лазерного излучения (на чертеже не показан) фокусируют объективом 1, установленным в воздухе. При отсутствии среды 2 лучи сфокусировались бы в точку F0, при параксиальной аппроксимации лучи фокусируются в точку F1. Периферийные лучи фокусируются в перетяжку F1F2, длина которой Δ определяется по формуле (1), где/d - расстояние от поверхности среды 2 до F1. При плотности энергии импульса в области перетяжки, большей плотности энергии связи молекул материала, во всем объеме перетяжки возникают условия для разрушения материала. Цилиндрический объем разрушения длиной, равной длине перетяжки, возникает при каждом импульсе излучения. При недостаточной энергии импульса длина цилиндрической полости разрушения уменьшается, однако верхней границей полости является F1. При плотности энергии существенно большей порога оптического пробоя и NA<0.3 в материале возникают условия для эффекта самофокусировки, причем область разрушения распространяется в сторону объектива от точки F1.

На Фиг.2. представлена схема устройства формирования отверстий в оптически прозрачной пленке, в котором пленка расположена в жидкости. Жидкость 4 с коэффициентом преломления п находится в кювете 6. Пленка 3 удерживается системой 7 в жидкости 4, на поверхности которой расположена пластина 5 с коэффициентом преломления п. Объектив 1 с числовой апертурой NA расположен так, чтобы фокусировать сверхкороткие импульсы лазерного излучения от источника (на чертеже не показан) в глубину жидкости. Пленка 3 имеет толщину, меньшую длины фокальной перетяжки, определяемой по формуле (1), и

б расположена так, чтобы фокальная перетяжка полностью перекрывала пленку 3. Фокус лучей при параксиальной аппроксимации F1 расположен перед пленкой, фокус граничных периферийных лучей F2 расположен за пленкой. При включении источника сверхкоротких импульсов лазерного излучения, излучение фокусируется в фокальную перетяжку F1F2, каждый импульс создает отверстие в пленке 3. Пленка

3 удерживается на выбранном расстоянии от объектива и перемещается в жидкости

4 с помощью системы 7. Лазерная система оборудована модулем сканирования (на чертеже не показан), установленным между источником лазерного излучения и объективом 1. Модуль сканирования вместе с системой перемещения пленки 7 позволяется перфорировать пленку согласно разработанному шаблону. Полости разрежения, возникающие в жидкости при воздействии лазерных импульсов, исчезают через короткий промежуток времени. Такую систему можно использовать длительное время. Так как перфорирование пленки производится фокальной перетяжкой с длиной, большей толщины пленки, то небольшие отклонения положения пленки по вертикали не оказывают влияния на процесс.

На Фиг.З. показана схема установки, в которой сверхкороткие импульсы лазерного излучения фокусируют объективом 1 через пластину оптически прозрачного материала 8. Пластина 8 расположена так, что геометрический фокус объектива 1 находится у поверхности пластины 8, обращенной к пленке 3. Пленка 3 удерживается системой 7 на расстоянии от объектива большем, чем фокусное расстояние системы при параксиальной аппроксимации F1. Такое расположение пластины 8 позволяет минимизировать риск разрушения пластины от фокусированного лазерного излучения. Каждый сверхкороткий импульс лазерного излучения формирует в пленке 3 отверстие. Система 7 позволяет удерживать и перемещать пленку по одной координате. Модуль сканирования (на чертеже не показан), установленный между источником излучения и объективом 1 позволяет перемещать положение фокальной перетяжки хотя бы по одной координате, что в совокупности дает возможность перфорировать пленку 3 согласно выбранной схеме.

На Фиг.4 представлены микрофотографии матрицы цилиндрических полостей, каждая из которых получена с помощью одиночного импульса в объемном материале. Материал - поликарбонат. Лазерное излучение: длина волны 1,06 мкм, длительность импульса 350 фсек, энергия в импульсе 7 мкДж. Прошедшая энергия составила 3,5 мкДж. Объективом являлась асферическая линза с числовой апертурой NA=0,545. Коэффициент преломления материла 1,56. Глубина фокусировки 1 ,1 мм. Фотография 4 (a) - вид сверху в естественном свете, 4 (б) - вид сбоку в естественном свете, 4 (в) - вид со стороны боковой поверхности отдельной цилиндрической полости. Длина каждой полости 200 мкм, диаметр каждой полости - 2 мкм.

На Фиг.5. представлена микрофотография вида сверху матрицы выходных отверстий в пленке материала толщиной 50 мкм в естественном свете. Объектив 54- 18-23-1064нм, NA=0.39, Special Optics. Материал пленки полипропилен. Глубина фокусировки 1 ,1 мм. Лазерное излучение с длиной волны 1 ,06 мкм, длительностью импульса 350 фсек, энергия импульса 5 мкДж. Частота следования импульсов 100 Гц, скорость сканирования 100 мкм/сек. Диаметр каждого из отверстий 5 мкм.

Промышленная применимость

Предлагаемое техническое решение может быть использовано для формирования отверстия микронного размера в оптически прозрачных пленках.