Obrada materijala femtosekundnim laserom - od bu

1
Obrada materijala femtosekundnim laserom - od
bušenja do kontrolisanih šara
Bojan Radak, Biljana Gakovic, Milan Trtica
Institut za nuklearne nauke VINCA
2
Obrada materijala laserom

• Micromachining
• Bušenje, secenje, varenje, markiranje
• Obrada površina (...šaranje)
• Modifikovanje osobina površine (kaljenje)
• Cišcenje i dekontaminacija
• Sterilizacija

3
KARAKTERISTIKE DEJSTVA fs LASERSKOG IMPULSA

• Impulsi su toliko kratki, da se završe pre nego
  što bilo kakvi relaksacioni procesi otpocnu.
• Visoki intenziteti koji mogu da izazovu
  nelinearnu apsorpciju.

4
KRATKI IMPULSI
Impulsi su toliko kratki, da se završe pre nego
što bilo kakvi relaksacioni procesi otpocnu.
200 fs
LASER --- elektron
1 ps
elektron --- elektron
Energija lasera se apsorbuje tako da se zagreju
samo elektroni, dok joni rešetke ostaju hladni.
10 ps
elektron --- rešetka
100 ps 100 ns
rešetka --- rešetka
5
VISOKI INTENZITET
gt 1012 W/cm2
I pri malim energijama impulsa, dostižu se
intenziteti koji mogu da pokrenu nelinearne
mehanizme apsorpcije.
Berov zakon ne važi, a može da dode i do
apsorpcije u materijalima koji tu talasnu dužinu
inace ne apsorbuju.
6
Trodimenzionalno graviranje
7
ABLACIJA (OŠTECENJE)
Visok intenzitet Mala energija ? cista ablacija
200 fs
LASER --- elektron
1 ps
elektron --- elektron
10 ps
elektron --- rešetka
100 ps 100 ns
rešetka --- rešetka
8
Cista ablacija(bez kolateralne štete)
Elektroni su pregrejani
Oni su odgovorni za ablaciju stvaraju plazmu i
vrše pritisak na rešetku...
... razaraju je.
9
Ablacija sa kolateralnom štetom
Elektroni NISU pregrejani.
Predaju energiju rešetki, pa ona vrši ablaciju.
Kolateralna šteta od topljenja, isparavanja, hidr
odinamickih efekata
10
Prag oštecenja Fth
Femtosekundni
Fth fluens praga oštecenja ? gustina O spec.
toplota isparavanja a koeficijent apsorpcije
Ne zavisi od dužine impulsa!
Nanosekundni
D koeficijent difuzije t vreme trajanja impulsa
11
Otvori manji od širine snopa
12
Kontrolisano bušenje slojeva
Al2O3
TiAlN
celik
200 fs 1,7 µ J
13
Profilometrijska analiza
200 fs, 10 µJ
14
Oštar prag po dubini
1,7 µJ
1,2 µJ
15
Bušenje visokom repeticijom

• .......

16
Šaranje (patterning)
Paralelne površinske strukture (PSS, ripples)
17
Uzrok formiranja ?
Talasi su normalni na vektor polarizacije.
Teorija o interakciji rasejanih zraka sa upadnim
laserom
Period d proporcionalan je talasnoj dužini lasera
?
? efektivni indeks prelamanja ? upadni ugao
snopa
18
Sub-? periode
Laser 40 ps
Talasna dužina lasera ? Period šara d
1064 nm 800 nm
532 nm 400 nm
266 nm 200 nm
Teorija interakcija površinskih plazmona sa
upadnim laserom.
Sa vecim brojem impulsa perioda se smanjuje.
19
Skeniranje laserom
Steel OCR 60 - AISI 440B (Cr) and scan with 200
fs pulses at 755 nm, 2 kHz Scan speed s
0.05, 0.1, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 and 1 cm/s (denoted
1-7) Energy per pulse Ep0.9, 1.25, 1.75, 2.7,
3.6 µJ Fluence 0.84, 0.116, 0.163, 0.251, 0.335
J/cm2 (denoted A,B,C,D, E) Average power density
0.5 ? I ? 36.7 W/cm2 Spot diameter 37 ?m
(1/e2)
20
Steel AISI 440B (Cr) and scan with 200 fs pulses
at 755 nm, 2 kHz
21
Steel AISI 440B (Cr) and scan with 200 fs pulses
at 755 nm, 2 kHz
22
Periodicnost u funkciji energije i broja impulsa
energija ?J period ?m v 0.5 mm/s period ?m v 1 mm/s period ?m v 2 mm/s period ?m v 4 mm/s period ?m v 6 mm/s period ?m v 8 mm/s period ?m v 10 mm/s
0.9 - - - - - - -
1.2 0.309 0.328 0.148 0.108 (naziru se) - - -
1.7 0.354 0.336 0.343 0.632 (udvojene) - - -
2.7 0.372 0.342 0.377 0.554 0.634 0.651 0.655
3.6 0.413 0.432 0.565(udvojene) 0.581 0.603 0.609 0.627
Impulsa N 148 N 74 N37 N18.5 N12.3 N9 N7.4
23
AFM slike slojevite strukture (Al/Ti)x8/Si posle
200 laserskih impulsa od 150 ps.
24
Upotreba za holografsko markiranje ?
25
Tim
dr Suzana Petrovic dr Jelena Stašic dr Davor
Peruško mr Dubravka Milovanovic dr Peter Panjan
et al. (SLO) dr Ion Mihailescu et al. (RO) dr
Dmitri Batani et al. (IT) dr Aleksandar Krmpot dr
Brana Jelenkovic dr Aleksandar Kovacevic ...