RU2008288C1

RU2008288C1 - Method of laser forming images in solid media

Info

Publication number: RU2008288C1
Authority: RU
Inventors: С.В. Ошемков
Original assignee: Санкт-Петербургский государственный университет
Priority date: 1991-04-23
Filing date: 1991-04-23
Publication date: 1994-02-28

Abstract

FIELD: laser treatment of solids. SUBSTANCE: method concludes in volume break- down of transparent media when laser radiation focused in volume of solid medium has density of power excessing over threshold value of material volume break-down. Image formed in the volume of the specimen may not be damaged even if integrity of specimen surface is damaged. EFFECT: improved parameters of treated articles; long life. 3 dwg

Description

Изобретение относится к лазерной обработке твердых материалов, в частности к обработке твердых прозрачных сред. The invention relates to laser processing of solid materials, in particular to the processing of solid transparent media.

Известен способ формирования изображений в твердых телах, наиболее близкий по решению технической задачи к предполагаемому изобретению. Суть этого способа заключается в фокусировке мощного импульсного или непрерывного лазерного излучения в заданной точке объема твердых образцов и сканировании лазерного луча по заданному закону с помощью программируемой системы отклонения лазерного луча или при перемещении обрабатываемого образца относительно лазерного луча по заданному закону. Способ позволяет формировать изображения в любых твердых образцах. При этом размеры получаемого изображения ограничены только возможностями системы отклонения лазерного луча или возможностями системы перемещения образца. A known method of forming images in solids, the closest in solving the technical problem to the alleged invention. The essence of this method is to focus powerful pulsed or continuous laser radiation at a given point in the volume of solid samples and scan the laser beam according to a given law using a programmable system for deflecting a laser beam or when moving a processed sample relative to a laser beam according to a given law. The method allows to form images in any solid samples. Moreover, the dimensions of the resulting image are limited only by the capabilities of the laser beam deflection system or the capabilities of the sample displacement system.

Недостатком данного способа является нарушение целостности поверхности образца, за счет чего возможно получение только плоскостных изображений на поверхности твердых материалов и, соответственно, невозможность формирования объемных изображений в материале образца вследствие достижения пороговой плотности мощности пробоя материала образца на его поверхности. The disadvantage of this method is the violation of the integrity of the surface of the sample, due to which it is possible to obtain only planar images on the surface of solid materials and, accordingly, the impossibility of forming three-dimensional images in the material of the sample due to the achievement of a threshold power density breakdown of the sample material on its surface.

Целью изобретения является сохранение целостности поверхности и объема прозрачного образца до заданной точки в его объеме. The aim of the invention is to maintain the integrity of the surface and volume of the transparent sample to a given point in its volume.

Цель достигается тем, что в известном способе лазерного формирования изображений в твердых средах, заключающемся в фокусировке лазерного излучения в заданной точке образца и перемещении образца относительно лазерного луча по заданному закону, в соответствии с предлагаемым изобретением фокусировку лазерного излучения осуществляют в заданной точке в объеме образца, после чего производят облучение образца с плотностью мощности, превышающей пороговое значение объемного пробоя материала, и осуществляют перемещение образца относительного лазерного луча в трех взаимно перпендикулярных направлениях. The goal is achieved by the fact that in the known method of laser imaging in solid media, which consists in focusing the laser radiation at a given point of the sample and moving the sample relative to the laser beam according to a given law, in accordance with the invention, the laser radiation is focused at a given point in the volume of the sample, after which the sample is irradiated with a power density exceeding the threshold value of the volume breakdown of the material, and the sample is moved relative to th laser beam in three mutually perpendicular directions.

Предполагаемое изобретение основано на явлении объемного пробоя прозрачных сред при воздействии сфокусированного в их объеме лазерного излучения с плотностью мощности, превышающей значение пороговой плотности мощности объемного пробоя материала. Лазерное излучение, сфокусированное в заданную точку в объеме образца при одновременном выполнении условий W_об. ^лаз. ≥ W_об. ^пор. и W_пов $\binom{л}{.}$ ^аз.< W_пов. ^пор., где W_об. ^лаз. - плотность мощности лазерного излучения в заданной точке объема образца; W_об. ^пор. - пороговая плотность мощности объемного пробоя материала образца; W_пов. ^лаз. - плотность мощности лазерного излучения на поверхности образца; W_пов. ^пор. - пороговая плотность мощности поверхностного пробоя материала образца, вызывает объемный пробой материала. При этом сохраняется целостность поверхности образца и его объема вне зоны фокусировки лазерного излучения, так как и на поверхности, и в объеме образца вне зоны фокусировки плотность мощности не превышает пороговых значений. Трехмерное изображение в объеме образца формируется при перемещении образца относительно лазерного луча по заданной программе.The alleged invention is based on the phenomenon of volumetric breakdown of transparent media under the action of laser radiation focused in their volume with a power density exceeding the threshold power density of volumetric breakdown of a material. Laser radiation focused at a given point in the volume of the sample while fulfilling the conditions W _vol. ^manhole. ≥ W _vol. ^since and w _pov $\binom{l}{.}$ ^az <W _rep. ^since where W _about. ^manhole. - the power density of the laser radiation at a given point in the volume of the sample; W _about. ^since - threshold power density of volume breakdown of the sample material; W _pov. ^manhole. - the power density of laser radiation on the surface of the sample; W _pov. ^since - the threshold power density of the surface breakdown of the sample material, causes a bulk breakdown of the material. At the same time, the integrity of the surface of the sample and its volume outside the focus area of the laser radiation is preserved, since the power density on the surface and in the volume of the sample outside the focus area does not exceed threshold values. A three-dimensional image in the volume of the sample is formed when the sample is moved relative to the laser beam according to a given program.

Поскольку пороговое значение плотности мощности поверхностного пробоя для прозрачных сред имеет меньшую величину, чем для объемного пробоя (например, для кристаллического кварца W_пов. ^пор. = 1,95x x10¹⁰Вт/см², а W_об. ^пор. = 3,10 x10¹⁰ Вт/см², реализация способа связана с необходимостью использования для фокусировки короткофокусных оптических систем.Since the threshold power density for surface breakdown transparent media has a lower value than for the bulk breakdown (e.g., crystalline quartz W _dressings. ^Long. = 1,95x x10 ¹⁰ W / cm ^2, and W _vol. ^Long. = 3.10 x10 ¹⁰ W / cm ² , the implementation of the method is associated with the need to use short-focus optical systems for focusing.

На фиг. 1 приведена структурная схема установки для реализации предложенного способа. Излучение лазера 1 фокусируется оптической системой 2 в заданную точку в объеме обрабатываемого образца 3, размещенного на подвижной платформе 4. Перемещение платформы с образцом относительно лазерного луча в трех взаимно перпендикулярных направлениях осуществляется тремя шаговыми двигателями 5, 6, 7 по заданной программе с помощью микроЭВМ 8. In FIG. 1 shows a structural diagram of an installation for implementing the proposed method. The radiation of the laser 1 is focused by the optical system 2 to a predetermined point in the volume of the processed sample 3, placed on a movable platform 4. The platform with the sample is moved relative to the laser beam in three mutually perpendicular directions by three stepper motors 5, 6, 7 according to a given program using a microcomputer 8 .

На фиг. 2 приведена структурная схема другой установки, с помощью которой также возможна реализация предлагаемого способа. In FIG. 2 shows a structural diagram of another installation, with which it is also possible to implement the proposed method.

При облучении образца 3 (фиг. 2) излучением импульсного лазера 1 с аналогичными параметрами формирование заданного трехмерного изображения в объеме образца без разрушения его поверхности и объема вне зоны фокусировки осуществляется путем сканирования лазерного луча в трех взаимно перпендикулярных направлениях системой 2 фокусировки и отклонения лазерного луча по заданной программе 9. When irradiating sample 3 (Fig. 2) with the radiation of a pulsed laser 1 with similar parameters, the formation of a given three-dimensional image in the volume of the sample without destroying its surface and volume outside the focus area is carried out by scanning the laser beam in three mutually perpendicular directions by the system 2 of focusing and deflecting the laser beam in preset program 9.

Способ был опробован в лабораторных условиях на предлагаемой установке (фиг. 1). The method was tested in laboratory conditions on the proposed installation (Fig. 1).

Излучение импульсного лазера 1 на АИГ: Nd³⁺ ИЗ-25 в режиме модулированной добротности с длительностью импульса 10 нс и мощностью 1 МВт фокусировалась оптической системой 2 с фокусным расстоянием 50 мм в заданную точку в объеме образца 3 из стекла К8 на глубине ≥ 5 мм. При диаметре пятна фокусировки 50 мкм плотность мощности излучения в объеме образца составляет 4x10¹⁰ Вт/см², что превышает пороговую плотность мощности объемного пробоя материала образца. В то же время оценка поверхностной плотности мощности лазерного излучения из соображений геометрической оптики дает величину 0,04x10¹⁰ Вт/см², что меньше порога поверхностного пробоя материала образца. При перемещении образца в трех взаимно перпендикулярных направлениях относительного лазерного луча с помощью трех шаговых двигателей, управляемых микроЭВМ, осуществляется формирование заданного трехмерного изображения в объеме образца без разрушения его поверхности и объема вне зоны фокусировки лазерного луча.The radiation of a pulsed laser 1 on AIG: Nd ³⁺ IZ-25 in a Q-switched mode with a pulse duration of 10 ns and a power of 1 MW was focused by optical system 2 with a focal length of 50 mm to a given point in the volume of sample 3 from K8 glass at a depth of ≥ 5 mm . When the diameter of the focusing spot is 50 μm, the radiation power density in the sample volume is 4x10 ¹⁰ W / cm ² , which exceeds the threshold power density of the volume breakdown of the sample material. At the same time, an estimate of the surface power density of laser radiation from considerations of geometrical optics gives a value of 0.04 x ^{10 10} W / cm ² , which is less than the threshold of surface breakdown of the sample material. When the sample is moved in three mutually perpendicular directions of the relative laser beam using three stepper motors controlled by a microcomputer, a predetermined three-dimensional image is formed in the sample volume without destroying its surface and volume outside the focus area of the laser beam.

На фиг. 3 представлен вид детали из стекла К8, обработанной в соответствии с предполагаемым изобретением. Ширина линий изображения зависит от энергии лазерного импульса и параметров фокусирующей системы и может составлять ≈10 мкм при однократном проходе. При многократном проходе одного и того же участка образца ширина линий может достигать 1 - 2 мм и более. Формирование изображения с помощью импульсного лазерного излучения позволяет получать изображение, состоящее как из набора отдельных точечных неперекрывающихся зон поражения, так и состоящие из сплошных линий при перекрывании зон пробоя от отдельных лазерных импульсов. При этом применение короткофокусных систем улучшает качество изображения из-за значительного градиента плотности мощности в каустике системы и связанного с этим уменьшением флуктуаций положения зоны объемного пробоя образца. In FIG. 3 is a view of a K8 glass part processed in accordance with the subject invention. The line width of the image depends on the energy of the laser pulse and the parameters of the focusing system and can be ≈10 μm in a single pass. With multiple passage of the same portion of the sample, the line width can reach 1 - 2 mm or more. Image formation using pulsed laser radiation allows you to obtain an image consisting of both a set of separate point non-overlapping lesion zones, and consisting of solid lines when overlapping breakdown zones from individual laser pulses. In this case, the use of short-focus systems improves image quality due to a significant gradient in the power density in the caustic of the system and the associated decrease in fluctuations in the position of the volume breakdown zone of the sample.

Как видно из приведенного примера, предлагаемый способ позволяет получить трехмерное изображение в объеме прозрачного образца без разрушения его поверхности и объема вне зоны фокусировки лазерного излучения за счет существенных отличительных признаков: фокусировки лазерного излучения в заданной точке в объеме образца, облучения образца с плотностью мощности, превышающей пороговое значение объемного пробоя материала, и перемещения образца относительно лазерного луча в трех взаимно перпендикулярных направлениях по заданной программе. As can be seen from the above example, the proposed method allows to obtain a three-dimensional image in the volume of a transparent sample without destroying its surface and volume outside the focus area of the laser radiation due to significant distinguishing features: focusing of laser radiation at a given point in the volume of the sample, irradiation of the sample with a power density exceeding the threshold value of the volume breakdown of the material, and the displacement of the sample relative to the laser beam in three mutually perpendicular directions in a given program e.

Предлагаемое изобретение найдет широкое применение для обработки прозрачных твердых образцов с целью формирования заданных изображений (например, для высокоточного нанесения штрихов, нанесения меток, художественной обработки различных сортов стекла и ювелирных изделий из драгоценных и полудрагоценных камней и т. д. ), особенно в тех случаях, когда необходимо получать заданные трехмерные изображения в объеме образцов без разрушения их поверхности и объема вне заданного изображения. Изобретение может применяться также и для формирования изображений в средах, непрозрачных в видимом спектральном диапазоне. Для этого необходимо только, чтобы обрабатываемый материал обладал достаточным пропусканием в области генерации используемого лазера. The present invention will find wide application for processing transparent solid samples with the aim of forming desired images (for example, for high-precision application of strokes, marking, artistic processing of various grades of glass and jewelry made of precious and semiprecious stones, etc.), especially in those cases when it is necessary to obtain the specified three-dimensional images in the volume of the samples without destroying their surface and volume outside the specified image. The invention can also be used for imaging in environments that are opaque in the visible spectral range. For this, it is only necessary that the material being processed possesses sufficient transmission in the generation region of the laser used.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа по сравнению с базовым объектом, характеризующим мировой уровень развития техники, в качестве которого в данном случае выбран прототип, заключается в том, что обеспечивается качественное улучшение параметров обработанных изделий. Во-первых, сформированное изображение в объеме образца практически невозможно повредить даже при нарушении целостности поверхности образца, что резко повышает долговечность и срок эксплуатации изготовленных изделий. Во-вторых, предлагаемый способ обеспечивает формирование трехмерных изображений в объеме обрабатываемого образца без нарушения целостности его поверхности и объема вне зоны фокусировки лазерного излучения, что невозможно в прототипе. (56) Авторское свидетельство СССР N 321422, кл. С 03 С 23/00, 1970. The technical and economic efficiency of the proposed method in comparison with the base object characterizing the world level of technological development, in which the prototype is chosen in this case, is that a qualitative improvement in the parameters of the processed products is provided. Firstly, the formed image in the sample volume is almost impossible to damage even if the integrity of the surface of the sample is violated, which dramatically increases the durability and life of the manufactured products. Secondly, the proposed method provides the formation of three-dimensional images in the volume of the processed sample without violating the integrity of its surface and volume outside the focus area of the laser radiation, which is impossible in the prototype. (56) Copyright certificate of the USSR N 321422, cl. C 03 C 23/00, 1970.

Claims

METHOD OF LASER FORMATION OF IMAGES IN SOLID MEDIA, which consists in focusing laser radiation at a given point in the volume of the sample and moving the sample relative to the laser beam according to a given law, characterized in that, in order to maintain the integrity of the surface of the sample and its volume to a given point and the formation of three-dimensional images irradiating the sample with a power density exceeding the threshold value of the volume breakdown of the material, and moving the sample relative to the laser beam in mutually perpendicular directions.