ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА МИКРООПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ, ОСНОВАННЫЕ НА ЛАЗЕРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

Сайко А.С.

Аспирант, Университет ИТМО

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА МИКРООПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ, ОСНОВАННЫЕ НА ЛАЗЕРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

Аннотация

Проводимые исследования посвящены исследованию лазерных технологий изготовления массивов микролинз с использованием материалов, обеспечивающих применение элементов и устройств, базирующихся на данных элементах, в мощных лазерных пучках.

Ключевые слова: микролинзовые растры, лазерная микрообработка, взаимодействие лазерного излучения с веществом.

Sayko A.S.

Postgraduate student, ITMO University

PRODUCTION TECHNOLOGIES MICROOPTICS ELEMETNTS BASED ONLASER EXPOSURE.

Abstract

Considered research are devoted to the study of laser technology manufacturing microlens arrays using materials providing application components and devices based on these elements in the high-power laser beams.

Keywords: microlens arrays, laser microprocessing, laser-matter interaction.

С учетом тенденций, сложившихся в настоящее время, главными вопросами в производстве микрооптических элементов является минимизация размеров элементов и устройств в целом, изготовление элементов, выдерживающих мощные световые пучки, а также повторяемость и качество формируемых оптических поверхностей [1].  С учетом этих условий возникает потребность в разработке новых и усовершенствовании имеющихся технологий изготовления микрооптических элементов. Решение данной задачи становится возможным благодаря использованию современных лазерных систем и специальных материалов.

Для решения подобных проблем необходимо изучение новых подходов к производству различных оптических элементов, имеющих определенную микроструктуру.  Такими элементами являются микролинзы, микролинзовые растры, фазовые решетки и др.

Технологии создания микрооптических элементов можно условно разделить на механические, химические, фотохимические и лазерные. К первым относятся способы получения поверхностного микрорельефа с помощью операций фрезерования, шлифовки и полировки оптической заготовки. Также, к механическому методу можно отнести обработку металлической формы для дальнейшего формирования структуры с использованием операций штамповки или литья, что благоприятно для мелкосерийного производства. Главными недостатками механического метода являются низкая разрешающая способность инструмента и возникновение дефектов на поверхности в процессе обработки.    Химический способ получения микрооптических элементов основан на применении процессов травления поверхности оптических материалов. Реализация процесса селективного травления накладывает определенные ограничения на размеры и однородность поверхностной структуры.  Соединение этого способа с фотографическим процессом составляет содержание фотохимического способа, который основан на фоточувствительности некоторых органических соединений, что позволяет получать регулярный микрорельеф путем нанесения специальной фоточувствительной пленки с последующей обработкой светом через фотошаблон. Существует ограниченное количество материалов, применяемых при фотохимическом методе, большинство их них неприменимо для использования в мощных световых пучках, поскольку обладают невысокими механическими свойствами.

С учетом приведенного краткого анализа методик формирования микрорельефа на оптических материалах, можно сделать вывод о том, что главными вопросами в производстве микрооптических элементов является минимизация размеров, а также изготовление образцов, выдерживающих мощные световые пучки, а также повторяемость и качество формируемых оптических поверхностей.  С учетом этих условий возникает потребность в разработке новых и усовершенствовании имеющихся технологий изготовления микрооптических элементов.

Использование лазерных технологий имеет важные преимущества перед другими методами формирования оптических регулярных микроструктур, связанные с локальностью, бесконтактностью воздействия, а также с возможностью варьирования энергетических параметров воздействия и геометрических характеристик получаемых образцов. Кроме того, универсальность лазера как инструмента для микрообработки позволяет создавать структуры различных конфигураций и размеров.

Прецизионным инструментом, который возможно использовать для обработки многих оптических материалов, является CO2 лазер, поскольку его излучение хорошо поглощается большинством материалов, применяющихся в микрооптике.

Рассмотрим технологии изготовления микролинзовых растров, основанные на применении излучения CO2 лазера:

1. Испарительно-абляционные процессы с использованием кварцевого стекла[2].

Получение регулярного микрорельефа возможно методом локального удаления определенного объема материала путем его быстрого и высокоэнергетического разогрева до температуры испарения. Этот процесс успешен для оптических материалов с малым коэффициентом теплового расширения, таких как плавленый кварц. Процессом локального разрушения можно управлять, главным образом, изменением плотности мощности лазерного излучения и временем воздействия его на материалы, а также состоянием поверхности материала, поскольку его поглощательная способность зависит от многих параметров образца.

2. Лазерно-индуцированная денсификация микропористого стекла[3].

Денсификация (спекание) микропористых стекол заключается в локальном нагревании стекла для размягчения его каркаса. При этом начинается вязкое течение размягченного материала. Денсификация происходит, когда вязкость каркаса микропористого стекла на его поверхности уменьшается в процессе нагревания настолько, что давление поверхностного натяжения в поре будет ее захлопывать. При продолжении воздействия в глубине стекла фронт спекания продвигается вглубь. Это сопровождается изменением плотности материала и показателя преломления. В результате лазерного воздействия на поверхность микропористого стекла излучением с распределением интенсивности по сечению, близкому к гауссову, образуется уплотненная область с измененным показателем преломления, профиль которой близок к сферическому. Затем, необходимо произвести шлифовку,  полировку и отжиг образца.

3. Аморфизация стеклокерамических материалов.

Локальная фазово-структурная модификация стеклокерамических материалов осуществима только при использовании лазерного излучения[4]. Эта технология заключается в нагреве локальной области стеклокерамики до температуры плавления, при этом происходит исчезновение упорядоченных связей между атомами, и эта область переходит в аморфное состояние. При прекращении лазерного воздействия модифицированная область стеклокерамики охлаждается настолько быстро, что атомы не успевают перегруппироваться в упорядоченную структуру, и образец остается в аморфном состоянии. Аморфная структура обладает меньшей удельной плотностью по сравнению с кристаллической структурой, поэтому модифицированный объем материала увеличивается. Линзообразная форма на поверхности образуется за счет влияния сил поверхностного натяжения. При последовательном воздействии на материал лазерным излучением с определенной длительностью воздействия и плотностью мощности становится возможным формирование регулярных микроструктур.

Сравнительный анализ рассмотренных технологий позволяет судить о приоритете исследования испарительно-абляционных процессов с использованием кварцевого стекла.

Литература

1. Optimizing Laser Beam Profiles using Micro-lens Arrays for Efficient Material Processing: Applications to Solar Cells./ D. Hauschild1. – Dortmund: LIMO Lissotschenko Mikrooptik GmbH, 2009.
2. Changhwan Kim, Ik-Bu Sohn. Fabrication of a fused silica based mold for the microlenticular lens array using a femtosecond laser and a CO2 laser. // Optical Materials Express Vol. 4, Issue 11, 2014 - pp. 2233-2240.
3. Internet-энциклопедия «Wikipedia».[Электронный ресурс]. Статья «Пористое стекло». — Адрес страницы в Internet: http://ru.wikipedia.org/wiki/Пористое_стекло. Последнее изменение страницы: 6.12.2012.
4. Вейко В. П. Структурно-фазовая модификация стеклокерамических материалов под действием излучения СО2-лазера./ В. П. Вейко, Г. К. Костюк, Н. В. Никоноров, Е. Б. Яковлев// Изв. АН СССР. Сер. физ. . – 15/02/2008 . – T. 72, №2 . – 184-188 с.

References

1. Optimizing Laser Beam Profiles using Micro-lens Arrays for Efficient Material Processing: Applications to Solar Cells./ D. Hauschild1. – Dortmund: LIMO Lissotschenko Mikrooptik GmbH, 2009.
2. Changhwan Kim, Ik-Bu Sohn. Fabrication of a fused silica based mold for the microlenticular lens array using a femtosecond laser and a CO2 laser. // Optical Materials Express Vol. 4, Issue 11, 2014 - pp. 2233-2240.
3. Internet-enciclopedia «Wikipedia».[Electronniy resurs]. Stat'ya «Poristoe steklo». — Adres stranicy v Internet: http://ru.wikipedia.org/wiki/Пористое_стекло. Poslednee izmenenie: 6.12.2012.
4. Veiko V.P. Structurno-fazovaya modifikaciya steklokeramicheskih materialov pod deistviem СО2-lazera./ V.P. Вейко, G. K. Kostuk, N. V. Niconorov, E. B. Yakovlev// Izv. AN SSSR. Ser. fiz. . – 15/02/2008 . – T. 72, №2 . – 184-188 s.