CC BY
101
Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2010. Вып. 1. С. 150-159 ФИЗИКА
УДК 621.9.047
Исследование структуры разрушений стекол при воздействии наносекундными лазерными импульсами
А.С. Щукин
Аннотация. Проведены экспериментальные исследования оптического пробоя в объеме натрий-кальций-силикатного стекла и исследована структура разрушений. Определено влияние поляризации на форму разрушений и произведена их систематизация по степени влияния поляризации.
Ключевые слова: оптический пробой, наносекундные импульсы, лазерная искра, лазерное разрушение, стекло, поляризация.
Лазерный пробой прозрачных материалов и разрушения, вызванные им, изучаются с момента появления импульсных лазеров с модулированной добротностью [1]. Появление лазерных импульсов с наносекундной длительностью и менее позволяет подвергать материалы воздействию излучения более высокой интенсивности, чем ранее, открывая возможность изучения взаимодействия излучения с прозрачными материалами в других режимах, которые отличаются механизмами разрушения. Помимо испарения и плавления материала проявляется механизм хрупкого разрушения, который оказывает большое влияние на форму, структуру и размеры разрушений, образуемых в прозрачных материалах.
Последние годы наносекундные лазерные импульсы широко используются в микрообработке материалов [3,5]. Лучшее понимание влияния временных и энергетических характеристик лазерного излучения на структуру и размеры образуемого разрушения, позволит более качественно осуществлять микрообработку прозрачных материалов.
Для оценки влияния энергии импульса лазерного излучения на размеры разрушения в объеме образца формировались области разрушений при разных уровнях энергии импульса. При этом расстояние между соседними разрушениями было достаточно большим, чтобы исключить их взаимное влияние друг на друга, поскольку напряжения создаваемые в материале в зоне образования разрушений стремятся взаимодействовать друг с другом, тем самым, приводя к трещинообразованию.
Определен следующий порядок проведения эксперимента:
• подготовка стеклянных образцов;
• предварительное шлифование торцевых граней образца до прозрачности и плоскостности достаточной для последующего изучения геометрических параметров и структуры, образующихся разрушений, посредством микроскопа с направленной подсветкой;
• формирование разрушений в подготовленном образце в определенном порядке, при постоянном расстоянии друг от друга и при разных уровнях энергии импульса лазерного излучения (рис. 1);
• изучение и анализ структуры образуемых разрушений;
• статистическая обработка полученных экспериментальных данных.
Рис. 1. Схема проведения эксперимента по формированию разрушений при разных уровнях мощности: 1 — образец; 2 — луч; 3 — зоны разрушений; х\ > Х2 > ... > хп-\ > хп — размеры разрушений в разных опытах; а — минимальное расстояние от поверхности образца до
разрушений
Для проведения экспериментальных исследований процесса лазерного разрушения была использована лазерная технологическая установка для создания объемных изображений в прозрачных материалах СРЬМ-6Т, с характеристиками лазерного излучателя и оптической системы, представленными в таблице.
Эксперименты производились на листовом натрий-кальций-силикатном стекле толщиной 2 мм марки М1 по ГОСТ 111-2001. Регулирование мощности осуществлялось с помощью поляризационной пластинки, вследствие чего возможна погрешность при оценке энергии в импульсе, приблизительно, на 10-15 %.
При фокусировании импульсного воздействия внутри стеклянного образца образуется разрушение, пример которого представлен на рис. 2. Структура образовавшегося повреждения представляет собой зону оптического пробоя в виде нитевидного канала, с периферийной зоной трещинообразования.
Характеристики лазерной установки СРЬМ-бТ
1. Лазерный излучатель
Активный элемент ИАГ: Ш+3
Диаметр луча на выходе резонатора, мм 4
Средняя мощность, Вт 15
Расходимость, мрад 10
Рабочая длина волны, мкм 1,064
Система охлаждения двухконтурная водяная
Нестабильность энергии излучения, %, не более 2%
Режим работы модуляция добротности (электрооптический затвор)
Длительность импульса, нс 5-30
Энергия в импульсе, мДж 10-30
Частота генерации импульсов, Гц до 100
2. Оптическая система
Апертура луча на входе фокусирующего объектива, мм 24
Фокусное расстояние, мм 56
Диаметр фокусного пятна, мм 0,02
Размеры и структура такого разрушения зависят от энергетических и временных характеристик лазерного излучения. В частности, проявляется заметное влияние поляризации лазерного излучения, что приводит к зависимости геометрии зоны пробоя от направления поляризации лазерного луча. Поскольку, электроны ускоряются вдоль направления электрического поля, то есть, вектора поляризации, то и преимущественное направление разрастания электронной лавины имеет форму, вытянутую вдоль направления поляризации. Следовательно, и трещины направлены вдоль вектора поляризации (см. рис. 2).
Как показали проведенные эксперименты, величина энергии импульса в значительной степени определяет не только структуру зоны разрушения, но и его геометрические размеры. Например, при повышении энергии импульса с 8 до 16 мДж, поперечный размер зоны разрушения хт, в среднем увеличивается в 1,5 раза (рис. 3). При постепенном увеличении энергии импульса продольный размер формируемых разрушений гт возрастает прямопропорционально его поперечному размеру. Установлено, что в рассматриваемых условиях отношение к = гт/хт может колебаться в пределах от 1,8 до 2,8 (среднее значение и среднее квадратическое отклонение коэффициента к, соответственно составляют, кср = 2, 34 и а к = 0, 27).
Рис. 2. Разрушение, образованное в листовом стекле толщиной 2 мм, импульсом с длительностью 20 нс и энергией 15 мДж: а) — набор разрушений в продольном направлении, б) — поперечное направление, в) — увеличенное изображение разрушения
Рис. 3. Зависимости влияния энергии импульса на размеры зоны разрушения и их аппроксимизация: 1 — реальная кривая линия; 2 -аппроксимированная прямая линия
Зависимости размеров разрушения от энергии импульса, можно выразить следующими формулами:
хт = ах ^ИМШ
хТ = az Wимп,
где ах и ах — коэффициенты пропорциональности, определяющие степень зависимости соответствующего размера разрушения от энергии импульса. Анализ показал, что величины коэффициентов ах и ах определяются свойствами и параметрами обрабатываемого материала и формой каустики сфокусированного луча. Для коэффициента ах определяющим фактором являются свойства и параметры обрабатываемого материала. Такие физические свойства стекол, как температура плавления, теплопроводность, коэффициент теплового расширения определяют температурный градиент, и как следствие, интенсивность развития периферийной зоны трещинообра-зования вокруг нитевидного канала. Величину ах определяет в основном форма каустики сфокусированного лазерного луча и в большей степени ее продольный размер (размер, определяемый в направлении распространении луча). Форма каустики практически «отпечатывается» в объеме материала, оставляя после себя нитевидный канал (см. рис. 3).
Непостоянство коэффициента к обусловлено изменениями поперечных и продольных размеров разрушений, которые вызваны неоднородностью материала образца. Различные включения, неоднородности и дефекты, содержащиеся в объеме образца, приводят к большим разбросам, пороговых значений интенсивности пробоя материала.
При установлении интенсивности сфокусированного лазерного излучения близкой к пороговой интенсивности оптического пробоя материала (1пр), разрушения формируются в объеме материала с определенной степенью вероятности. При интенсивности в каустике, равной (1, 5 — 2)/пр, достигается почти полная регулярность в формировании разрушений, но отсутствует регулярность в их геометрических размерах. Так, например, в результате воздействия импульсов с одинаковыми параметрами в точки объема образца с различными пространственными координатами, приводит к образованию разрушений различных размеров (рис. 4). В результате экспериментов установлено, что, например, для импульса длительностью 20 нс и энергией 15 мДж средние квадратические отклонения поперечного и продольного размеров разрушений, соответственно составили 11 и 18 мкм. Функции плотности распределения вероятности величин поперечного и продольного размеров такого разрушения, будут иметь вид, представленный на рис. 5.
Исследование пороговой интенсивности пробоя проводилось на тех же образцах листового стекла. Определение пороговой интенсивности пробоя производилось на основании регистрации видимого свечения (искры) и последующее наблюдение измененной структуры материала, возникающих сразу же по достижении пороговой интенсивности разрушающего излучения, что позволяет, с достаточной точностью фиксировать порог разрушения.
В результате установлено, что пробой экспериментальных образцов стекла достигается при среднем значении энергии импульса 10 мДж и его средней длительности 20 нс. При такой энергии импульса вероятность образования разрушения составляла 50 %.
Рис. 4. Разрушения, образуемые импульсами с одинаковыми параметрам: а) — первый вариант разрушения; б) — второй вариант разрушения; в) — третий вариант разрушения
За
25А 36.5 47,5 58.6 69.7 80.7 91.7 xj.mn 57 75 93 1112 129.3 К7.3 165,1 г,, жп
Рис. 5. Функции плотности распределения вероятности поперечного и продольного размеров образуемых разрушений, при воздействии импульсов с длительностью 20 нс и энергией 15 мДж
На основании изложенного, по степени влияния направления поляризации лазерного луча и энергии импульса разрушения можно систематизировать на три группы, характеризующиеся различной степенью влияния поляризационной составляющей (рис. 6).
Первую группу составляют разрушения, определяемые поляризационной составляющей, поперечная форма которых приближена к форме единой плоской трещины, направленной вдоль плоскости поляризации.
Ко второй группе относятся разрушения, слабоопределяемые поляризационной составляющей, структура которых частично определяется направлением поляризационной составляющей, и при этом появляются одна или несколько трещин, которые отклоняются от направления поляризации лазерного луча.
Третья группа представляет собой разрушения, неопределяемые поляризационной составляющей, в структуре которых почти или полностью отсутствует влияние направления поляризационной составляющей.
Рис. 6. Систематизация разрушений по степени присутствия поляризационной составляющей (стрелкой показана плоскость поляризации лазерного луча)
Как показали эксперименты, влияние поляризационной составляющей на форму разрушения в общем случае определяется энергией импульса. При значениях энергии импульса близких к пороговому значению оптического пробоя материала, механизм ударной ионизации проявляется наиболее ярко и форма образуемых разрушений относится к первой группе по предлагаемой систематизации. При дальнейшем увеличении энергии импульса влияние поляризации уступает механизмам теплового воздействия, и форма образуемых разрушений постепенно приобретает более хаотический характер, при котором периферийная зона трещинообразования образуется из большего числа трещин.
Данная систематизация, применимо к микрообработке материалов, предполагает выделение единичного разрушения как источника распределенных определенным образом напряжений в объеме материала, а совокупность разрушений как взаимодействие этих напряжений, приводящая к формиро-
ванию разделяющей трещины. Поскольку выделено три группы разрушений, то каждой группе характерна своя специфика взаимодействия в объеме материала (рис. 7).
плоскость поляризации «---------------------------►►
Рис. 7. Схемы взаимодействия разрушений разных групп: а) — взаимодействие разрушений 1 группы; б) — взаимодействие разрушений 2 группы; в) — взаимодействие разрушений 3 группы
Взаимодействие разрушений первой группы носит более направленный и определенный характер, т.е. их взаимодействие друг с другом происходит по кратчайшему пути, формируя сплошную разделяющую трещину, как результат взаимодействия всей совокупности сформированных разрушений. Формирование микрорасколов вдоль направления поляризации лазерного луча является обязательным условием для создания качественной разделяющей трещины. Основными показателями, определяющими качество разделяющей трещины, являются ее толщина, которая определяет точность микрообработки, и шероховатость поверхностей, полученных в результате разделения.
Разрушения второй группы имеют некоторое отклонение от направления поляризации, вследствие чего, их взаимодействие носит более «распределенный» в объеме материала характер. Сформированная разделяющая трещина является менее качественной по сравнению с разделяющей трещиной, формируемой разрушениями первой группы. Процесс образования разделяемой трещины становится менее зависимым от направления поляризации лазерного луча, тем самым, позволяя формировать разделяющую трещину в различных поперечных направлениях отличных от направления плоскости поляризации лазерного излучения.
По характеру взаимодействия разрушениям третьей группы свойственно формирование разделяющей трещины, аналогичной разрушениям второй группы. Формируемая трещина становится еще более низкого качества, но достигается большая производительность процесса разделения материала.
При этом процесс образования разделяющей трещины становится полностью независимым от направления поляризации лазерного луча.
Достаточное продольное взаимодействие разрушений для обеспечения формирования качественной разделяющей трещины также является необходимым условием. Данное взаимодействие менее зависит от направления поляризации лазерного излучения и в основном определяется продольным размером разрушения.
В результате проведенных исследований проанализирована структура разрушения и выявлено влияние поляризации на форму и размер разрушений. Также, определена зависимость размеров зоны разрушений от энергии импульса лазерного излучения в листовом натрий-кальций-силикатном стекле и определены основные статистические показатели, характеризующие непостоянство размеров зоны разрушений.
Предложена систематизация разрушений по степени влияния поляризации лазерного излучения, которая позволяет разделять разрушения по их форме и структуре на три вида. Данная систематизация предполагает учет поляризации лазерного излучения при осуществлении микрообработки прозрачных материалов в зависимости от требуемых показателей качества получаемых деталей.
Список литературы
1. Рэди Дж. Действие мощного лазерного излучения. М.: Мир, 1974. C.450.
2. Любимов В.В., Щукин А.С. Анализ технологии лазерно-искрового формообразования (ЛИФ) твердых материалов // Современная электротехнология в промышленности центра России: сб. трудов региональной НТК. 2009. С.54-60.
3. Стригин М.Б., Чудинов А.Н. Лазерная обработка стекла пикосекундными импульсами // Квантовая электроника. 1994. №8. С.787-790.
4. Щукин А.С. Любимов В.В. Лазерное формообразование стекла наносекундны-ми импульсами // Современная электротехнология в промышленности центра России: сб. трудов региональной НТК. 2008. С.120-128.
5. Патент № 2264183 (РФ). Способ разделения твердых прозрачных пластин со светоизлучающими или микроэлектронными структурами. Алексеев А.М., Хаит О.В., от 20.06.2005 г., приоритет 05.11.2003 г.
6. Interaction of femtosecond laser pulsed with transparent materials. Chris B. Schaffer. Harvard University. Cambridge, Massachusetts. May 2001. 220 p.
Щукин Александр Сергеевич ([email protected]), аспирант, кафедра физико-химических процессов и технологий, Тульский государственный университет.
Investigation of the structure of glass destruction effected by nanosecond laser pulses
A.S. Schukin
Abstract. Experimental studies of optical breakdown in the amount of sodium-calcium-silicate glass and investigations of the structure of the destruction were made. The effect of polarization on the shape of the destruction and its systematization according to the degree of influence of the polarization were carried out.
Keywords: optical breakdown, nanosecond pulses, laser spark, laser damage, glass, polarization.
Schukin Alexander ([email protected]), postgraduate student, department of physical and chemical process and technology, Tula State University.
Поступила 15.10.2009
