Лазерное формирование периодических структур на поверхности металлов для записи защитных голограмм тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Москвин Михаил Константинович

• Москвин Михаил Константинович
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Москвин Михаил Константинович

РЕФЕРАТ

SYNOPSIS

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Современные защитные голограммы: технологии формирования

1.1 Защитные голограммы

1.1.1 Основные типы элементов защитных голограмм

1.1.2 Методы формирования защитных голограмм

1.1.3 Методы записи периодических структур

1.2 Управление топологией поверхности металлов за счёт формирования лазерно-индуцированных поверхностных периодических структур (ЛИ 111С)

1.2.1 Механизмы формирования ЛИППС

1.2.2 Влияние параметров лазерного воздействия на геометрические параметры ЛИППС

1.2.3 Оценка регулярности ЛИППС

1.3 Выводы по главе

ГЛАВА 2. Формирование ЛИППС на поверхности металлов с заданной геометрией

2.1 Экспериментальная установка и методика экспериментов

2.2 Формирование ЛИППС на поверхности металлов

2.2.1 Качественная оценка температуры нагрева поверхности металла при импульсном лазерном воздействии

2.2.2 Формирование ЛИППС в лазерном отпечатке при линейной поляризации

2.2.3 Формирование ЛИППС в лазерном треке при линейной поляризации

2.2.4 Управление периодом ЛИППС

2.2.5 Смещение плоскости обработки относительно фокальной плоскости при формировании ЛИППС

2.2.6 Наложение ЛИППС и управление их направлением в динамике

2.2.7 Формирование ЛИППС в лазерном отпечатке при различной эллиптичности поляризации

Выводы к главе

ГЛАВА 3. Количественная оценка основных характеристик ЛИППС

3.1 Анализ упорядоченности ЛИППС, сформированных на поверхности стали

3.2 Анализ упорядоченности ЛИППС, сформированных на плёнке титана

3.3 Анализ спектральных характеристик ЛИППС

Выводы по главе

ГЛАВА 4. Разработка метода одноэтапного синтеза защитных голограмм за счёт формирования ЛИППС на поверхности металлов

4.1 Разработка программно-аппаратного модуля для записи защитных голограмм

4.2 Компьютерный синтез модели элементов защитной голограммы с учётом особенностей формирования ЛИППС

4.3 Исследование механической устойчивости формируемых ЛИППС

Выводы к главе

Заключение

Список сокращений

Благодарности

Список литературы

Список иллюстративного материала

Приложение А. Акты внедрения

Приложение Б. Тексты основных публикаций по теме диссертации

РЕФЕРАТ Общая характеристика диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Лазерное формирование периодических структур на поверхности металлов для записи защитных голограмм»

Актуальность темы

Проблема защиты продукции от фальсификации в различных областях промышленности всегда является актуальной, так что методы защиты должны идти на шаг впереди способов их взлома [1,2,3,4,5,6,7]. Фальсифицированная продукция создает риск для потребителя и приводит к потере прибыли изготовителем и его репутационным рискам. Современные технологии позволяют создавать различные защитные метки, КЕГО-метки, QR-коды, защитные голограммы и др. Кроме того, многие компании используют уникальные серийные номера и коды для каждого изделия, чтобы облегчить их идентификацию и отслеживание. Некоторые производители также применяют криптографические методы защиты, которые используются для создания уникальных цифровых подписей, которые можно использовать для проверки подлинности продукции. Однако, независимо от того, какая технология используется, важно, чтобы потребитель был проинформирован об идентификационных метках и мог проверять подлинность продукции перед покупкой.

По методу нанесения идентификационных меток непосредственно на изделие можно выделить следующие основные методы:

- Механические. Например, тиснение [8] (методом ударно-точечной гравировки);

- Химические: каплеструйная маркировка [9,10] (нанесение чернил);

- Электрохимические: электрохимическая маркировка [9,11] (основана на протекании электрохимических реакций, под действием которой происходит локальное травление токопроводящей поверхности маркируемого изделия). Данные методы обычно используются для нанесения буквенно-цифровых символов (например, серийных номеров, дат), штрих-кодов, матричных кодов и простых логотипов. Однако все эти «стандартные» методы маркировки можно легко воспроизвести и скопировать.

Более сложным с технологической точки зрения, но в то же время широко распространенным, является метод записи защитных голограмм, которые состоят из полимерных слоев и слоя металлической фольги. Полимерные слои выполняют функцию защиты поверхности фольги и обеспечивают прочное сцепление с различными поверхностями, а также обеспечивают разрушение голограммы при попытке ее удаления. На слое фольги формируется рельефно-фазовые структуры, способные восстанавливать видимые изображения в белом свете. Эти изображения могут обладать эффектами объёма, движения, изменения цвета, а также могут содержать скрытые элементы, такие как микротексты и микролинзы [12].

Защитная голограмма должна обеспечивать:

- невозможность прямого копирования методом сканирования за счёт своей сверхвысокой разрешающей способностью (порядка единиц микрон и менее);

- невозможность удаления или разрушаемость при удалении.

Производство таких голограмм является многостадийным процессом. В настоящий момент необходимые объёмы тиражирования может обеспечить только метод горячего тиснения, который впервые был предложен для создания радужных голограмм Бентона [13]. Технология требует записи мастер-голограммы на металлической подложке, с которой производится массовое тиражирование. Мастер-голограмма представляет собой никелевую пластину со структурой рельефа в виде комбинаций синусоидальных дифракционных решёток с различными ориентациями, периодом и амплитудой [14]. Сам процесс записи мастер-голограммы достаточно медленный и дорогостоящий, требует постобработки.

С развитием микро- и нанотехнологий появляются новые методы формирования идентификационных меток, которые сложно подделать: лазерные методы формирования, литография и др. Стоит отметить, что идентификация данных меток производится различными методами: оптической микроскопией, спектрофотомерией, профилометрией и др.

На данный момент для формирования элементарных дифракционных решёток применяется технология дот-матрикс [15,16], построенная на принципах

многолучевой лазерной записи или электронно-лучевой литографии [17,18], требующих дорогостоящего оборудования. Стоит отметить, что при тиражировании защитных голограмм возможно искажение профиля микрорельефа дифракционных решёток от исходного записанного на мастер- голограмме, что увеличивает объём брака при их производстве.

Защитная голограмма представляет собой набор областей на поверхности материала, обладающих определенными геометрическими характеристиками дифракционных решёток. Эти области принято называть элементарными дифракционными решётками (ЭДР). Они обеспечивают восстановление видимого изображения с разнообразными визуальными эффектами при освещении. Перспективной и новой технологией формирования ЭДР может являться прямое лазерное формирование лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур (ЛИППС).

Первые наблюдения ЛИППС были сделаны М. Бирнбаумом в 1965 году [19]. Несмотря на то, что структурные характеристики ЛИППС могут соответствовать всем требованиям для формирования ЭДР в локально заданной области, до сих пор не была реализована технология записи защитных голограмм с их использованием.

Данный факт связан с отсутствием ясно сформулированного подхода к методам формирования защитных меток и управления их параметрами и защитными признаками, отсутствием алгоритма формирования визуальных защитных признаков за счёт формирования ЛИППС (не продемонстрирована возможность получения динамических (подвижных) изображений на базе ЛИППС, хотя в [20,21] указывается такая возможность формирования квазиобъёмных изображений. Также необходимо отметить возникновение явления неупорядоченности ЛИППС (явление ветвления) [22], которое слабо изучено и не используется для нанесения защитных меток. И, наконец, даже то, что продемонстрировано, получено разными исследовательскими группами с использованием разных лазеров на разных длинах волн и при разных длительностях воздействия, в совершенно разных режимах и т.п., что не дает

возможности их простого воспроизведения и, тем более, промышленного применения.

В настоящей работе предложен новый метод создания защитных голограмм, который обладает основными признаками защиты (по форме, по цвету, по кинематике изображения), в основе которого лежит непрерывное изменение направления поляризации, которому подчиняется закон формирования ЛИППС, скоординированное с траекторией сканирования лазерным пучком. Основой изображения являются ЛИППС, которые сами представляют сложный защитный знак, так как их воспроизведение на структурном уровне невозможно. Детальному раскрытию этого метода посвящена данная диссертация.

Целью диссертационной работы является разработка одноэтапного метода записи защитных голограмм за счёт формирования ЛИППС. Были поставлены следующие задачи:

- исследование механизмов формирования ЛИППС на поверхности металлов с заданной геометрией и оптическими свойствами;

- поиск подходов к управлению качеством защитной голограммы (оценка дифракционной эффективности, прямолинейности, параллельности ЛИППС) за счёт варьирования параметров лазерной записи (поляризацией);

- разработка одноэтапного метода лазерной записи ЛИППС с базой возможных защитных признаков.

Научная новизна работы

1. Предложен одноэтапный метод создания защитных голограмм, основанный на непрерывном изменении направления поляризации лазерного пучка путем введения в него вращающегося поляризационного элемента и задания траектории его сканирования с учётом их взаимного влияния.

2. Показано увеличение параллельности и прямолинейности ЛИППС при смещении плоскости обработки относительно фокальной плоскости при наносекундном лазерном воздействии.

3. Показана возможность перезаписи ЛИППС при наносекундном лазерном воздействии при двойном экспонировании.

4. Показано изменение пространственной ориентации ЛИППС в области перекрытия лазерных треков.

Практическая значимость работы

Предложен, обоснован и апробирован одноэтапный метод записи защитных голограмм на основе формирования ЛИППС, который обеспечивает следующие скрытые и визуальные признаки: физически неклонируемый рисунок структур, динамические визуальные эффекты, включая псевдодвижение цвета или изображения (кинеграммный эффект), эффект переключения изображения и эффект объёма.

Положения, выносимые на защиту

Положение 1. При записи лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур (ЛИППС) на поверхности стали 08Х18Н10 при последовательной экспозиции лазерных пучков со скрещенным направлением углов поворота плоскости поляризации, при длительности импульсов т = 100 нс с длиной волны излучения 1064 нм и плотностью мощности порядка плавления стали и не более q = 0,5 107 Вт/см2 формируется двумерная периодическая структура, геометрические размеры и направленность которой соответствуют поляризации первой и второй экспозиции; при повторной записи с плотностью мощности не менее 0,5107 Вт/см2 и не более 1,9107 Вт/см2 формируется одномерная структура с геометрическими размерами и направленностью, соответствующими второй экспозиции (перезапись). Перезапись происходит за счёт «сглаживания» рельефа ЛИППС в жидкой фазе при повторном экспонировании.

Положение 2. При записи лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур (ЛИППС) на поверхности стали 08Х18Н10 при длительности импульсов т = 100 нс с длиной волны излучения 1064 нм, с плотностью мощности в диапазоне от 1,1107 Вт/см2 до 2,2107 Вт/см2 в области перекрытия треков сканирования наблюдается изменение ориентации ЛИППС (по отношению к вектору поляризации) от 7±2° до 15±5°, которое при перекрытиях

более 70 % приводит к выпрямлению структур. Изменение ориентации является следствием перераспределения интенсивности в области воздействия за счёт интерференции поверхностных электромагнитных волн, возникающих на вновь сформированных структурах и структурах предыдущего трека сканирования и оно тем больше, чем выше процент перекрытия треков сканирования.

Положение 3. Наибольшая упорядоченность лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур (прямолинейность структур öd = 5 ± 5°, параллельность S = 5 ± 3°, количество точек ветвления N = (10 ± 2)-103 1/мм2), сформированных на поверхности стали 08Х18Н10 при длительности импульсов т = 100 нс с длиной волны излучения 1064 нм, с плотностью мощности в диапазоне от 1,1107 Вт/см2 до 2,2107 Вт/см2, наблюдается при воздействии расфокусированным лазерным пучком диаметром 2ю1.8мм = 110 ± 10 мкм (при диаметре в перетяжке 2ю0мм = 50 ± 3 мкм) на уровне 1/e2 в связи с уменьшением градиента температур в области воздействия и стабилизации ЛИ 111С.

Положение 4. При наносекундном лазерном воздействии (X = 1064 нм, т = 100 нс, q = 1,1 107 - 2,2 107 Вт/см2) на поверхность стали 08Х18Н10 при соотношении скоростей сканирования лазерного пучка и поворота плоскости линейной поляризации излучения в диапазоне от 0 рад/мм до 0,1 рад/мм происходит формирование периодического рельефа с динамически изменяющейся ориентацией в пространстве, что позволяет получить плавное изменение цветового отклика в отраженном свете.

Апробация работы

Результаты, полученные в ходе диссертационной работы, были апробированы на международных и российских конференциях в виде устных и стендовых докладов:

1. Advanced Laser Technologies (ALT23) Samara, Russia, 18.09.2023-21.09.2023 Holographic security signs based on LIPSS: physics and technology;

2. HOLOEXPO Science & Practice Сочи, 12.09.2023-15.09.2023 «Эффекты визуальной динамики на металле: защитные голограммы на основе ЛИ1111С»;

3. XII Международная конференция по фотонике и информационной оптике Москва, НИЯУ МИФИ, 01.02.2023-03.02.2023 «Технология записи защитных голограмм на поверхности металла за счёт формирования лазерно-индуцированных поверхностных периодических структур»;

4. International symposium Fundamentals of Laser Assisted Micro- & Nanotechnologies (FLAMN-22) Санкт-Петербург, Университет ИТМО, 27.06.2022-30.06.202 Quantitative analysis of the laser-induced periodic surface structures regularity;

5. XI Международная конференция «Фотоника и информационная оптика» Москва, НИЯУ МИФИ, 26.01.2022-28.01.2022 Влияние эллиптичности поляризации лазерного излучения на упорядоченность лазерно-индуцированных поверхностных периодических структур;

6. HOLOEXPO Science & Practice Санкт-Петербург, 20.09.2022-22.09.2022 «Применение лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур для изготовления цифровых радужных голограмм»;

7. VII Международная конференция «Лазерные, плазменные исследования и технологии» ЛаПлаз Москва, НИЯУ МИФИ, 23.03.2021-26.03.2021 Formation of laser-induced periodic surface structures for structural coloring;

8. IV International Conference on Ultrafast Optical Science Москва, 28.09.2020-02.10.2020 Laser wettability control of metal surfaces for directional fluid flow;

9. XI Конгресс молодых ученых Санкт-Петербург, Университет ИТМО, 04.04.2022-08.04.2022 «Зависимость упорядоченности лазерно-индуцированных поверхностных периодических структур от эллиптичности поляризации лазерного излучения»;

10. XI Конгресс молодых ученых Санкт-Петербург, Университет ИТМО,

04.04.2022-08.04.2022 «Синтез цифровых радужных голограмм на поверхности нержавеющей стали АШ 304»;

11. X Конгресс молодых ученых Санкт-Петербург, Университет ИТМО,

14.04.2021-17.04.2021 «Формирование лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур импульсами наносекундной длительности»;

12. IX Конгресс молодых ученых Санкт-Петербург, Университет ИТМО,

15.04.2020-18.04.2020 «Разработка методики записи и перезаписи поверхностных периодических структур на стали»;

13. Пятьдесят вторая (ЬП) научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО Санкт-Петербург, Университет ИТМО,

31.01.2023-03.02.2023 «Исследование влияния параметров лазерного воздействия на упорядоченность лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур»;

14. Пятьдесят первая (Ь1) научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО Санкт-Петербург, Университет ИТМО,

02.02.2022-05.02.2020 «Разработка методов цветной лазерной маркировки металлов за счёт формирования отражательной дифракционной решётки»;

15. Пятидесятая (Ь) научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО Санкт-Петербург, Университет ИТМО,

01.02.2021-04.02.2020 «Структурирование поверхности нержавеющей стали АШ 304 импульсным лазером для реализации дополнительного элемента защиты от фальсификации при маркировке продукции;

16. ХЬ1Х научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО Санкт-Петербург, Университет ИТМО, 29.01.2020-01.02.2020 «Лазерная запись защитных идентификационных меток при помощи лазерно-индуцированных периодических структур»;

17. ХЬП научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО Санкт-Петербург, Университет ИТМО, 30.01.2018-02.02.2018 «Контроль

формирования наноструктур на поверхности стали короткими лазерными импульсами для защиты продукции от фальсификации»;

18. International Conference on Ultrafast Optical Science (UltrafastLIght-2018) Москва, 01.10.2018-05.10.2018 Laser-induced coloration of metals surface;

19. International Symposium "Fundamentals of Laser Assisted Micro- and Nanotechnologies" (FLAMN-19) Saint-Petersburg, ITMO University, 30.06.2019-04.07.2019 Formation of biomimetic materials for structural coloration under the action of nanosecond laser pulses.

Достоверность научных достижений

Достоверность результатов подтверждается соответствием экспериментальных данных и результатов, полученных с использованием общепринятых теоретических моделей, а также подтверждается их воспроизводимостью и согласованием с данными, приводимыми другими исследователями в области формирования ЛИППС. Экспериментальные данные анализировались статистическими методами обработки физических измерений, обеспечивающими их достоверность.

Личный вклад автора

Выбор направления научных исследований, постановка цели и задач диссертационной работы, а также разработка плана исследований осуществлялись совместно с научным руководителем. В части проведения практической работы соискатель лично принимал участие во всех описанных экспериментальных исследованиях, в том числе проводил сборку и настройку использованных оптических схем, лично проводил изготовление экспериментальных образцов, а именно запись ЛИППС с различной топологией. Аспирант лично разработал метод записи защитных голограмм на основе ЛИППС и осуществлял измерение оптических и структурных характеристик записанных защитных голограмм. Анализ, интерпретация и описание полученных данных проводились лично аспирантом при участии научного руководителя, а также совместно с соавторами публикаций по тематике диссертации.

Внедрение результатов работы

Полученные результаты использовались в ходе выполнения научно -исследовательских работ по теме:

1. Хоз. договор (ООО «Лазерный центр») №2. 219965 «Разработка оборудования и технологий лазерного кодирования и идентификации деталей и изделий» (в рамках Постановления 218 от 09.04.2010 г.), 2019 - 2021;

2. РНФ№. 21-79-10241 «Разработка методов управляемого формирования термохимических лазерно-индуцированных поверхностных периодических структур для современных устройств фотоники», 2021-2024;

3. Хоз. договор (ООО «Лазерный центр») №. 223017 «Разработка технологий создания лазерно-индуцированных неклонируемых меток на поверхности металлов» (в рамках Постановления 2136), 2023.

Результаты данной диссертационной работы приняты к опытному производству компании ООО «Лазерный Центр» при разработке технологии записи защитных голограмм в виде предварительного проекта технологической документации на технологию создания дифракционных защитных знаков на металлах (Технология ЛИППС). По уровню готовности технологии ее можно отнести к УГТ 5 в соответствии с ГОСТ Р 58048-2017.

Результаты работы защищены следующими патентами:

1. Патент на изобретение №. 2696804 от 06.08.2019. Способ маркировки поверхности контролируемыми периодическими структурами / М. К. Москвин, Г. В. Одинцова, В. В. Романов, Н. Н. Щедрина, В. П. Вейко;

2. Патент на полезную модель №. 205653 от 26.07.2021. Защитная метка для идентификации металлических объектов / В. П. Вейко, М. К. Москвин, Г. В. Одинцова, Я. М. Андреева, С. Г. Горный.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из Введения, 4 глав, разделённых на подразделы в соответствии с результатами экспериментальных или теоретических исследований, Заключения.

Во введении показана актуальность исследования, сформулированы цель и задачи, которые необходимо было решить в ходе работы, отражена научная и практическая значимость работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведён обзор научных работ по теме исследования.

В разделе 1.1 был рассмотрен современный взгляд на понятие защитных голограмм, их основные типы, характеристики и методы записи.

В разделе 1.2 приведен обзор метода формирования лазерно-индуцированных поверхностных периодических структур (ЛИППС), показано влияние режимов лазерного воздействия на геометрию ЛИППС. Показана возможность использования их в качестве отражающей дифракционной решётки, а также их применения для формирования визуальных и структурных признаков защитной голограммы.

В разделе 1.3 сформулированы основные выводы первой главы, указаны актуальные проблемы, требующие решения и основные задачи для создания метода и устройства записи защитных голограмм на основе ЛИППС.

Вторая глава посвящена процессу формирования лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур.

В разделе 2.1 описаны методы записи и исследования ЛИППС. В качестве материалов использовалась нержавеющая сталь 08Х18Н10 (толщина 0,5 мм, среднеарифметическое отклонение профиля шероховатости Яа = 0,02 мкм, шероховатость поверхности по выбранным пяти максимальным высотам и впадинам Яг = 0,18 мкм) и пленки титана толщиной 10 нм на подложке из стекла К8 толщиной 2,85 мм. Массивная сталь была взята как материал для записи отражающих решёток. Пленки титана для формирования структур, работающих как на пропускание, так и на отражения.

Лазерная обработка проводилась при помощи наносекундного волоконного лазера с длиной волны 1064 нм при различных типах поляризации. Эксперименты проводились как при стационарном лазерном источнике, так и при сканировании с перекрытием лазерных импульсов по осям Х^.

В разделе 2.2 представлены результаты лазерной записи ЛИППС. Проведен анализ границ рабочих режимов формирования ЛИППС.

На рисунках 1-2 представлены диаграммы режимов формирования ЛИППС на стали 08Х18Н10 и пленках 77, соответственно.

Рисунок 1 - Экспериментально установленные режимы формирования ЛИППС на стали 08Х18Н10: (слева) - диапазон плотности энергий от количества импульсов в зоне воздействия; (справа) - микрофотографии сформированных структур

Точками отмечены подтвержденные режимы устойчивого формирования ЛИППС.

(б)

Количество импульсов в точку

Рисунок 2 - Экспериментально установленные режимы формирования ЛИППС на пленках Т1: (а) - диапазон плотности энергии от количества импульсов в зоне

воздействия;

(б) - микрофотография ЛИППС в режиме воздействия: частота следования импульсов 40 кГц, мощность излучения 37 мВт, плотность энергии 0,07 Дж/см2;

(в) - Фурье-спектр структур

Точками отмечены подтвержденные режимы устойчивого формирования ЛИППС.

Теоретический анализ рабочих режимов формирования ЛИППС позволяет выявить основные процессы, лимитирующие их формирование:

- для нижних порогов рабочих режимов формирования: преобразование лазерного излучения в поверхностную электромагнитную волну (ПЭВ) в ходе дифракции на исходной шероховатости поверхности, минимальные пороги механизмов регистрации интерференционной картины в материале (окисление, плавление - в зависимости от типа ЛИППС);

- для верхних порогов рабочих режимов формирования: термоиндуцированные фазовые переходы, такие как плавление и испарение материала.

Далее представлена качественная оценка температуры нагрева поверхности металла при импульсном лазерном воздействии в интерференционном поле ПЭВ и падающей волны. В случае выполнения условий для возбуждения ПЭВ эффективность конверсии падающего лазерного излучения может быть рассмотрена из дифракционных соображений. В пространственном спектре шероховатости поверхности всегда найдется резонансная решётка, на которой происходит преобразование падающего излучения в ПЭВ. В результате интерференции ПЭВ с падающим лазерным излучением формируется периодически модулированное распределение интенсивности, которое в свою очередь вызывает пространственно промодулированный нагрев материала. Вследствие активации различного рода тепловых процессов происходит увеличение высоты резонансного рельефа. Дальнейшее увеличение высоты рельефа резонансной решётки происходит за счёт наличия положительной обратной связи между коэффициентом преобразования ПЭВ и высотой решётки.

Для случая нормального падения излучения интерференция происходит за

счёт наличия продольной компоненты поля ПЭВ. Пусть E0e-lMt - поле падающей

волны, а EQe-l(Mt-ksX^ - продольная компонента поля ПЭВ. Тогда

интерференционное распределение выражается как:

2

q~\E0+ Е$е1к*х\ = (Е0 + Е$е1к*х)(Е0 + Е$е-1к*х) == (Е0)2 + (Е$)2 + 2Е0Е$

cos (ksx),

где E0 - амплитуда электрического поля, i - мнимая единица, ks - волновой вектор, ю - угловая частота, t - время.

Отсюда возможно перейти к оценке верхних и нижних порогов формирования ЛИППС, ограниченных термоиндуцированными фазовыми переходами (плавление, испарение материала), при этом верхняя граница существования четких структур будет определяться разницей фазовых переходов в

максимумах и минимумах интерференционного распределения («холодных» и «горячих» точках поверхности). Температурное распределение будет определяться решением уравнения теплопроводности и в итоге для многоимпульсного воздействия на поверхности материала в максимумах и минимумах интерференционного распределения (суммируемые или вычитаемые компоненты в уравнении (1) соответственно) с учётом многократных циклов нагревания-

остывания принимает вид:

N-1

к^п

т=0

1 ±

д11 — тв)

2 — тв)

^^М^ — т — тв)

1 ±

Чг1

п^ а(1-т-тв)

2 ц0^па(Ь-т-тв)

где А - поглощательная способность материала, д0 и д - среднее и минимальное значение плотностью мощности лазерного излучения в интерференционном поле, к - теплопроводность материала, равная 16,2 Вт/м-К, а - температуропроводность материала 3,0-10-6м2/с, т - длительность импульса 100 нс, в - период повторения импульсов.

На рисунке 3 представлены графики модельной оценки температуры на поверхности материала в центре лазерного воздействия с учётом интерференционного поля ПЭВ и падающей волны после одного лазерного импульса (рисунок 3(а)) длительностью 100 нс и для серии лазерных импульсов (рисунок 3(б)) N=20 импульсов с частотой повторения импульсов 50 кГц. Таким образом, температурный диапазон формирования ЛИППС на нержавеющей стали в области экспериментально определенных режимов при длительностях импульса 100 нс лежит в области плавления материала, а именно в пределах от 1500 °С до 3100 °С (максимальное значение температуры). Для формирования ЛИППС на пленках титана при длительностях импульса 4-14 нс в пределах от 470 °С до 1065 °С, что ниже порога плавления материала.

I

I

(а)

(б)

(в)

(г)

Рисунок 3 - Распределение температуры на поверхности образца: (а) - для стали 08Х18Н10 после одиночного импульса т = 100 нс; (б) - для стали 08Х18Н10 после серии из 10 импульсов т = 100 нс, f = 55 кГц; (в) - для пленки Т после одиночного импульса т = 4 нс; (г) - для пленки Т после серии из 10

импульсов т = 4 нс, f = 55 кГц

Также рассмотрены факторы, влияющие на геометрические параметры ЛИППС (период, высота рельефа, пространственная ориентация), определены факторы, влияющие на упорядоченность структур, определена область наилучшей обработки относительно фокальной плоскости.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Москвин Михаил Константинович, 2023 год

литература

1.

9.

10.

Валиулин А. и др. Лазерная маркировка материалов // Фотоника. 2007, № 3, с 16-22.

Vallulln A. et al. lasemaya markirovka materialov II Photonics, 2007, № 3, p. 16-22. VeikoV. et al.Control led oxide fi Ims formation by nanosecond laser pulsesfor color marking //Optic express. 2014, v. 22, № 20, p. 24342-24347.Laser Center. URL: https://vwvw. proœloritœm / technology/.

Khafaji N.Y.etal. Optical characterization of laser coloured titanium under different

processing atmospheres//Surface and Coatings Technology, 2017, v. 321, p. 156-163.

Adams D. P. et al. Nanosecond pulsed laser irradiation of stainless steel 304L Oxide growth

and effects on underlying metal //Surface and coatings technology, 2013, v. 222, p. 1-8.

A. J. et al. Hie influence of process parameters on the laser-induced coloring of titanium //

Applied Physics A, 2014, v. 115. № 3, p. 1003-1013.

Laser Center, URL: https://www.newlaser.nj/tech/.

Ageev E. I. et al. Composition analysis of oxide films formed on titanium surface under pulsed

laser action by method of chemical thermodynamics //Laser Physics, 2017, v. 27, № 4, p.

046001.

Lavisse L. et al. Growth of titanium oxynitride layers by short pulsed Nd: YAC laser treatment ofTi plates: influence of the cumulated laser Puence / /Applied Surface Science, 2009, v. 255, №10, p. 5515-5518.

CuayJ. M. et al. Laser-induced plasmonic colours on metals //Nature communications, 20L7, v. 8, p. 16095.

SimoesJ., Riva R., Miyakawa W. High-speed Laser-Induced Periodic Surface Structures (UPSS) generation on stainless steel surface using a nanosecond pulsed laser //Surface and CoatingsTedinology, 2018, v. 344, p. 423-432. 11. Ageev E. I. et al. Controlled nanostructuies formation on stainless steel by short laser pulses for products protection against falsification //Optics express, 2018. v. 26, №2, p. 2117-2122.

alloys, precious and refractory metals, etc.) with good resolution without using dyes, labels, etc. The applied identification mark has several degrees of protection both visually observable (changing the type and color of the image, its displacement when changing the angle of view) and hidden ones (availability of different types of periodic structures when viewing them under a microscope, the exact coincidence of colorimetric coordinates with a previously developed template) that meet the basic requirements for protective holograms. Thus, the labeling provides multi-level protection from product falsification. It should be noted that the technology of color laser labeling is implemented with the help of fiber-laser complexes widely implemented in industrial production, and its efficiency is comparable to that monochrome laser engraving, which is used by many Russian enterprises.

The technology already finds its application in many areas of industry: staining of components and labeling instrument panels in machine and instrument engineering (Fig. 6A), printing of logos of enterprises on souvenir products (Fig. 6B), creating a protective nontoxic coating on medical products made of titanium (Fig. 6B), as well as the creation of products with a unique design in jewelry (Fig. ID), modern art (Fig. 6D) and much more.

Photonics vol. 12 № 6(74)2018 575