Создание пленочной микрооптики методом лазерной абляции полимерных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Баля, Вера Константиновна

• Баля, Вера Константиновна
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Баля, Вера Константиновна

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ. ОБЗОР

ЛИТЕРАТУРЫ

1Л Основные физические процессы, возникающие при взаимодествии лазерного излучения с веществом

1.2 Требования к лазерам, применяемым для обработки материалов

1.3 Лазерная абляция

1.4 Лазерная абляция полимерных материалов

1.4.1 Плавление полимеров

1.4.2 Термическая деструкция ПММА

1.4.3 Сгорание полимеров с выбросом сажи

1.5 Лазерная абляция тонких металлизированных пленок

1.6 Выводы по главе 1

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Материалы, на которых проводилась абляция

2.2 Формирование элементов. Принцип работы лазерного гравера Laser Graver LG 10F15

2.3 Технология измерения элементов

2.4 Фотометрирование

2.5 ТГц спектроскопия

2.6. Выводы по главе 2

ГЛАВА 3. ТЕХНОЛОГИЯ ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ЛАЗЕРНОМ ГРАВЕРЕ

3.1 Исследование зависимости профиля прожигаемой канавки от направления хода луча лазерного гравера

3.2 Исследование лазерной абляции различных полимерных материалов

3.2.1 Лазерная абляция полиэтилена

3.2.2 Лазерная абляция резины

3.2.3 Лазерная абляция термочувствительной пленки ПБМА

3.2.4 Лазерная абляция тонких металлизированных пленок

3.3 Выводы по главе 3

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

4.1 ПОЛУЧЕНИЕ МИКРОПРИЗМЕННЫХ РАСТРОВ С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРНОГО ГРАВЕРА

4.1.1 Микропризменные растры для защищенной печати

4.1.2 Изготовление микропризменного растра методом лазерной абляции полимерных пленок

4.2 ПОЛУЧЕНИЕ МИКРОЛИНЗОВЫХ РАСТРОВ С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРНОГО ГРАВЕРА

4.2.1 Микролинзовые растры для формирования плавающих изображений

4.2.2 Изготовление мастер-матрицы микролинзового растра методом лазерной абляции резины

4.2.3 Моушен-эффект, полученный с использованием микролинзового растра

4.3 Гомогенизатор лазерного излучения

4.3.1 Интегратор Келера

4.3.2 Получение гомогенизаторов лазерного излучения с помощью абляции

термочувствительной пленки

4.3.3Лазерный генератор линии на базе нерегулярного диффузора

4.4 ИК и Терагерцовые элементы

4.4.1 Поляризаторы

4.4.2 Изготовление поляризатора терагерцового диапазон длин волн методом лазерной

абляции алюминированной пленки

4.4.3 Полосовой фильтр терагерцового диапазона частот

4.5 Выводы по главе 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Создание пленочной микрооптики методом лазерной абляции полимерных материалов»

ВВЕДЕНИЕ

Современное развитие техники направлено на удешевление и миниатюризацию элементов. Та же тенденция прослеживается и в оптике -большие системы уступают место волоконной фотонике, микрооптике, как гражданского, так и специального назначения. Особенно быстро развивается полимерная оптика и входит во все области хозяйства, такие как оптическая связь, защита банкнот и документов, декоративная маркировка, медицинская техника. Поэтому, исследования методов создания полимерной микрооптики весьма актуальны. Еще более актуальны исследования научных основ формообразования микрооптических поверхностей с использованием широко распространенной техники, без применения уникального оборудования.

В диссертационной работе проведено исследование формообразования микрооптических поверхностей, основанное на лазерной абляции полимеров, когда в результате нагрева и оплавления полимера формируется микропризменная или микролинзовая поверхность, форма которой определяется как условиями лазерной абляции, так и свойствами обрабатываемого полимера.

Актуальность темы

Современная микрооптика используется во многих областях науки и техники — защитная маркировка купюр и товаров, сенсоры на основе микролазеров, интегральная оптика. Поэтому поиск новых методов и технологий создания микрооптических элементов весьма актуален, особенно в области микрооптики на полимерной пленке, как наиболее дешевых элементов.

Лазерная абляция полимерных материалов — один из перспективных методов создания микрооптических элементов, пригодных для получения их на большой площади и с малой стоимостью, однако в настоящее время вопрос формообразования при лазерной абляции полимера исследован недостаточно, что

требует проведения дополнительных исследований. На это и направлена диссертационная работа.

Целью диссертационной работы является исследование процессов лазерной абляции, преимущественно, полимерных материалов с целью формирования микрооптических поверхностей при микронном шаге растрового сканирования, когда поверхность оптического качества формируется в результате суперпозиции процессов лазерной абляции, испарения и плавления материала. Практический аспект работы — формирование микрооптических элементов для использования в реальном секторе экономики.

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследование процессов лазерной абляции различных полимерных материалов в зависимости от их внутренней структуры, термомеханических параметров и условий лазерного воздействия;

2. Исследование процессов лазерной абляции металлизированных

пленок;

3. Определение условий для получения поверхностей оптического качества;

4. Формирование защитных микропризменных растровых элементов;

5. Формирование микролинзовых растров и получение «плавающих» изображений на их основе;

6. Получение апериодических структур гомогенизаторов лазерного излучения для формирования однородного светового поля и узкой линии с заданным распределением силы света вдоль ее длины;

7. Формирование терагерцовых поляризаторов и полосовых резонансных фильтров.

Научная новизна работы:

1. В диссертационной работе исследованы процессы лазерной абляции полимерных материалов, сопровождающиеся кратковременным нагревом материала и его локальным оплавлением, которые приводят к получению оптически гладкой поверхности при наличии микронной пикселизации.

2. В диссертационной работе показано, что при соответствующем выборе условий лазерной абляции (действие лазерного излучения при периоде растра 2,5 мкм) и параметров обрабатываемого материала (близость температуры стеклования и плавления) в результате динамического плавления и охлаждения полимера формируются поверхности оптического качества, V -образная форма которых определяется апертурным углом записывающего луча.

3. В диссертационной работе показано, что при нагреве полимера возможно получение микролинзовых решеток, каждый элемент в которых имеет сфероконическую форму. Шаг линз в решетке определяется шагом прохождения луча, а форма поверхности — нагревом и оплавлением материала при лазерной абляции.

4. В диссертационной работе получен ряд новых микрооптических элементов, полученных методом прямой лазерной абляции полимерных материалов без применения каких-либо дополнительных технологических операций:

• растровый защитный элемент, изображение в котором формируется набором микропризм, плотность расположения и ориентация которых определяет видимые под фиксированными углами изображения;

• формирователь линии на основе апериодической решетки микропризм, формирующий заданное распределение силы света вдоль линии и сглаживающий дифракционные максимумы.

Практическая значимость и реализация результатов диссертационной работы:

Полученные микрооптические элементы были использованы в ходе выполнения хоздоговорных работ, выполнявшихся диссертантом по заказу предприятий НИИ «Гознак» и ОАО «Электроаппарат» для изготовления защитных элементов и макета посадочных огней соответственно.

Результаты диссертационной работы нашли применение в грантах, контрактах и госконтрактах, выполненных коллективом кафедры Инженерной Фотоники Университета ИТМО.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. При лазерной абляции термопластичной полимерной пленки полибутилметакрилата (ПБМА) с толщиной испаряемого слоя 10 мкм импульсным ИК лазером с растровой разверткой и пикселем 2,5 мкм, формообразование поверхности определяется теплопереносом и отводом тепла в окружающий материал, плавлением, поверхностным натяжением расплава полимера и апертурным углом записывающего луча.

2. При однократном проходе записывающего луча по термопластичной полимерной пленке ПБМА со скоростью 7 м/с и шагом 30 мкм и более происходит формирование V - образной канавки, поверхность которой имеет зеркальное оптическое качество в результате поверхностного оплавления, а форма канавки определяется апертурным углом записывающего луча.

3. При однократном проходе записывающего луча по термопластичной полимерной пленке ПБМА со скоростью 7 м/с и шагом 25 мкм и менее в результате теплопереноса, динамического плавления и действия поверхностного натяжения расплава пленки происходит скругление обрабатываемой поверхности.

4. Разработан метод получения микролинзового растра, основанный на лазерной абляции пересекающейся системы канавок с шагом менее 25 мкм, получаемой последовательным проходом луча со скоростью 7 м/с по термопластичной полимерной пленке ПБМА. Образование микролинзового 5

к

I"

растра происходит в результате динамического плавления и действия поверхностного натяжения расплава термопластичной пленки ПБМА.

5. Прямая лазерная абляция металлизированной полимерной пленки (слой алюминия толщиной 0,5 мкм на лавсане), позволяет получить элементы: решетчатый поляризатор и полосовой фильтр с характерными размерами от 20 мкм и более с параметрами, обеспечивающими применение в качестве элементов терагерцовой техники.

Достоверность полученных результатов диссертационной работы и выводов обеспечивается воспроизводимостью полученных данных, ясной физической трактовкой, непротиворечивой с современными научными представлениями, непротиворечивостью с результатами работ других авторов, известными из литературы и также рассмотренных в литературном обзоре диссертации.

Личный вклад автора: содержание диссертационной работы и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора. Автор участвовал в постановке целей и задач исследований, в разработке методики и проведении эксперимента, при анализе результатов и формировании выводов. Подготовка к публикациям результатов проводилась совместно с соавторами, причем вклад диссертанта был значительным.

Апробация работы и публикации: основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в рамках 6 докладов на трех международных конференциях:

1. VIII Международная конференция «Электронные процессы в органических материалах» ICEPOM—8, Ивано-Франковск, Украина. 2010;

2. VII международная конференция молодых ученых и специалистов «0птика-2011», Санкт-Петербург, Россия. 2011;

3. VII Международная конференция «Фундаментальные проблемы оптики» «ФПО - 2012», Санкт-Петербург, Россия. 2012.

2-х Всероссийских межвузовских конференциях: конференция молодых ученых, Санкт-Петербург, Россия. 2011; Научно-практическая конференция «Наследие М.В. Ломоносова. Современные проблемы науки и техники решаемыми молодыми учеными СПбГУ ИТМО», Санкт-Петербург, Россия. 2011;

одной Научной и Учебно-Методической Конференци Национального Исследовательского Университета Информационных Технологий, Механики и оптики, Санкт-Петербург, Россия. 2011.

Диссертант является победителем внутривузовского конкурса «Молодые ученые НИУ ИТМО» (2012 г.).

Основные результаты диссертационной работы изложены в 9 печатных работах общим объемом 2,565 п.л., из них: 5 статей в журналах, входящих в Перечень ВАК и международные базы цитирования Scopus и Web of Science, 2 статьи в сборниках трудов международных конференций, одна статья в аннотированном сборнике работ победителей конкурсов, а также 1 тезисы доклада на всероссийской конференции.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Во введении обоснованы актуальность, цель, научная новизна диссертационной работы, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения, определена структура диссертации. В первой главе приведен обзор литературы по теме диссертационного исследования. Рассмотрено воздействие лазерного излучения на вещество, процессы лазерной абляции полимерных материалов и металлизированных полимерных пленок в зависимости от условий лазерной абляции и строения материала. Во второй главе рассмотрены объекты и методы исследования. В третьей главе рассмотрены основные особенности работы лазерного гравера, проведены исследования лазерной абляции с помощью

ЬавегСгауег различных материалов, а именно: полиэтилена (ПЭ), полибутилметакрилата (ПБМА), резины, металлизированной полимерной пленки. В четверной главе исследовано и проработано практическое применение лазерной абляции полимерных материалов для изготовления микрооптических элементов. В заключении обобщены результаты исследования, сформулированы основные выводы.

Материалы изложены на 90 страницах, включая 46 рисунков и 4 таблицы. Список литературы составляет 69 наименований.

Диссертационная работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики.

ГЛАВА 1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Создание лазеров вызвало появление не только целого ряда новых направлений в физике, химии, биологии и других науках, но и разработку большого количества новых технологий в микроэлектронике, обработке материалов, обработке и передаче информации, анализе свойств материалов, в приборостроении, связи, медицине, в точных измерениях, военной технике и т.д. Лазерное излучение обладает многими специфическими свойствами, которые открыли совершенно новые возможности и области приложений оптики.

1.1 Основные физические процессы, возникающие при взаимодествии

лазерного излучения с веществом

Теплофизические процессы, происходящие при взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом, схематично представлены на рисунке 1. Характер данных процессов, а, следовательно, и результат этого взаимодействия, сильно зависят от коэффициента поглощения материала на длине волны излучения лазера, его пиковой мощности и длительности воздействия на материал. Лазерное излучение, падающее на обрабатываемую поверхность, поглощается в соответствии с экспоненциальным законом Бугера-Ламберта, который в общем виде представлен ниже (1):

1(х) = /0 ехр(-ах), (1)

где 1(х) — интенсивность лазерного излучения, проникшего в материал на глубину х; 10 — интенсивность падающего на объект лазерного излучения. Выделившееся тепло распространяется в глубь материала за счет теплопроводности (рисунок 1 (а)).

Поглощение и нагревание

Лазерное излучение

Плавление

^ Тепловой поток

Поверхность

расплава

а

а

Испарение

Образование плазмы

в

Рисунок 1 — Основные физические процессы, возникающие при взаимодействии лазерного излучения с веществом

Затем происходит нагрев материала, а после того как температура поверхности достигает точки плавления, начинается распространение границы жидкой фазы в глубь материала (рисунок 1 (б)). При дальнейшем облучении материала продолжается процесс нагрева, на этот раз — до температуры испарения (кипения). При достижении этой температуры инициируется процесс испарения вещества с обрабатываемой поверхности (рисунок 1 (в)), сопровождающийся ионизацией поверхностных примесей и загрязнений, которые практически всегда в том или ином виде присутствуют. Далее излучение поглощается основным материалом, и если интенсивность недостаточно высока, материал плавится, испаряется, а пары ионизуются. При этом давление паров способствует выплескиванию расплава, и в материале постепенно формируется отверстие. Если интенсивность излучения слишком велика, то в результате

испарения образуется высокотемпературная непрозрачная плазма. Образовавшаяся плазма может распространяться навстречу лазерному пучку в форме индуцированной лазером волны поглощения. Облако плазмы поглощает падающее лазерное излучение и экранирует поверхность образца, препятствуя тем самым дальнейшему воздействию лазера на вещество (рисунок 1 (г)) [1].

Следует отметить, что в зависимости от определенных условий могут реализоваться только первые две стадии процесса воздействия лазерного излучения на материал. Протекание той или иной стадии воздействия определяется не только теплофизическими и оптическими свойствами, состоянием поверхности обрабатываемого лазерным пучком материала, но и параметрами лазерного луча (характером распределения плотности в фокальном пятне, временной структурой, расходимостью, поляризацией и особенно плотностью мощности лазерного пучка в зоне обработки) [2].

Приведем теоретический расчет температуры нагрева материала при лазерной обработке. Температура поверхности Т зависит от мощности лазерного излучения Р, поглощенной единицей площади Б:

_ Р

д~!> (2)

цг

где q — плотность мощности лазера; Р = —, — энергия лазерного импульса,

т

х — длительность воздействия (длительность импульса)).

Соотношение между Т и плотностью мощности q можно определить из уравнения теплопроводности:

ет д «ду^

0* РС ' V*

где АТ = + ^ + ^г- — оператор Лапласа; <3(х,у,2Д) — объемная плотность

дх ду дг

поглощенного светового потока;

а — температуропроводность; р — плотность; с — теплоемкость. Чтобы решить это уравнение, необходимо задать одно начальное условие, 6 граничных условий и определить (Хх,у,г,1;):

Т =Т ■

л х,у,г,0 1 Н ,

Т =Т -Т =т .

Х=со,? у=00,/ 2Х = <Х>,г Н 1

дТ _ дТ _ дТ _0

5

После решения системы этих уравнений связь между Т и ц выражается в

виде:

Т

- Я) - поглощенная мощность р, с, а, Я, а - теплофизическиеи оптические параметры х, - аргументы

Для металлов решение такого уравнения при заданных ранее условиях и для круглого источника тепла — лазерного пятна с радиусом г0 будет:

Т =

2q0(l-R)^faт

1

Г „ ^

- 1ег&

4тт \l4ar;)

+ Г,

(4)

я

При Го> л[ат (импульсный нагрев) Т

(1 - К)^[ат к^л:

- н.

(5)

При г0< л[ат (непрерывный нагрев) Т

2^(1 -К)г0

+ т;

я.

(6)

Исходя из полученных соотношений, можно вычислить пороговую (критическую) плотность мощности дпор, необходимую для нагревания поверхности до заданной температуры Т:

_ (Т — Тн)кт[я

для импульсного нагрева "пор.имп 2{\-К)-у[ат ' ^

= (Т-тИук

для непрерывного нагрева "пор. непР ^ _ . (8)

Ранее были перечислены основные физические явления, происходящие при воздействии лазерного излучения на вещество, и дано краткое математическое описание лазерного нагревания в самом общем случае.

При лазерной обработке могут происходить следующие процессы:

• испарение обрабатываемого материала;

• абляция, как самого материала, так и загрязняющих веществ, находящихся на его поверхности;

• нагревание при формообразовании в нагретом состоянии. Одним из возможных вариантов является нагревание до температуры размягчения (или плавления) с последующим деформированием в вязкотекучей фазе. Применяется для изготовления ближнепольных оптических зондов, медицинского оптического инструментария и т. п.;

• лазерное химическое травление и другие процессы, типичные для обработки тонких пленок и поверхности электронных материалов в микроэлектронике;

• лазерное послойное наращивание.

Несмотря на большое разнообразие физических процессов при лазерной обработке, главным из них является процесс испарения, поскольку он определяет

выполнение самых различных технологических операций: сверление отверстий, резку, скрайбирование, очистку поверхности и др..

При обработке материалов излучением импульсного лазера глубина отверстия увеличивается линейно со скоростью Уо и зависит от длительности импульса лазерного излучения:

Таким образом, одномерная модель испарения позволяет вычислять глубину отверстий в зависимости от плотности мощности и длительности импульса лазера. Но эта модель справедлива лишь в том случае, если в процессе лазерной обработки диаметр образующегося отверстия остается неизменным. С физической точки зрения это означает, что наблюдается только «чистое» испарение, т. е. не происходит оплавление стенок отверстия.

Однако в тех случаях, когда глубина отверстия становится сопоставимой с размером лазерного пучка в месте обработки, может происходить образование жидкой фазы, т. е. расплавленного материала на стенках отверстия, который выбрасывается навстречу лазерному пучку в результате действия так называемых паров отдачи (рисунок 2). Такая ситуация характерна для реальных процессов лазерной обработки, поэтому для математического описания процесса испарения приходится использовать более сложные расчетные соотношения [1].

(9)

Рисунок 2 — Испарение материала, сопровождающееся образованием жидкой фазы

1.2 Требования к лазерам, применяемым для обработки материалов

Основными параметрами лазеров, которые определяют качество лазерной обработки, являются:

• мощность излучения, Р;

длина волны, X; длительность импульса, т; частота следования импульсов, £

пространственные характеристики модовой структуры излучения; расходимость пучка, а.

Для лазера, работающего в непрерывном режиме генерации, пороговая плотность мощности испарения обрабатываемого материала определяется как:

ЧН=кТе1(Аго), (Ю)

где к — коэффициент теплопроводности; Т„ — температура испарения; А — коэффициент поглощения (А = 1 - И. (Я — коэффициент отражения)); г0 — радиус поперечного сечения лазерного пучка в фокальной плоскости.

Для импульсного лазерного источника с теми же параметрами и аналогичным тепловым режимом обработки материала пороговая плотность мощности может быть вычислена по формуле:

кТ. ж

где а — коэффициент температуропроводности; т — длительность лазерного импульса. Зная пороговую плотность мощности испарения обрабатываемого материала, можно определить необходимый пороговый уровень мощности лазерного излучения. Для этого можно использовать следующую формулу:

РпоР = ^ ,

(12)

где 8 — площадь лазерного пятна в фокусе линзы (Б = 4т 0 2). Если проделать вычисления для различных материалов и различных типов лазеров, обычно используемых для промышленных применений, получим значения порогового уровня мощности импульсного режима порядка 1000 Вт, а в непрерывном режиме — сотни Вт. Это позволяет заключить, что необходимый уровень мощности излучения при лазерной обработке должен составлять около 1 кВт. При этом сам по себе режим генерации (непрерывный, импульсный, импульсно периодический) не столь важен, поскольку он определяет только тип выполняемой лазером технологической операции (сверление, резку, скрайбирование и т. д.), но не значение требуемой мощности излучения. [1]

1.3 Лазерная абляция

Под лазерной абляцией в широком смысле слова понимается любое удаление массы с поверхности твердого тела. В физике твердых тел лазерная абляция — это удаление (испарение) макроскопического количества материала с поверхности под действием лазерного излучения. Лазерная абляция может быть реализована различными механизмами: в первую очередь это — механизм испарения; механизм термоупругого разрушения; механизм развития ударной волны; фотодинамический механизм; фотохимический механизм и т.д. При низкой мощности лазера вещество испаряется или сублимируется, а при высокой — происходит ионизация атомов вещества — образуется плазма.

Частично природа абляционных процессов зависит от типа материала, но более сильное влияние оказывают характеристики лазерного излучения: интенсивность, длительность импульса, длина волны, число импульсов и т.п. [3]

Современные технологии позволяют достаточно точно контролировать фокусировку, длительность (в диапазоне от нано - до фемтосекунд) и мощность

воздействия лазерного луча. Это открывает широкие возможности для применения процесса лазерной абляции в промышленности и научных исследованиях. [4].

В последние годы импульсная лазерная абляция различных материалов привлекает все больший интерес как с точки зрения фундаментальных исследований процессов в веществе в экстремальных условиях сверхбыстрого подвода энергии, так и развития всевозможных технологических приложений [57]. Высокие скорости нагрева и охлаждения, возможность сканирования сфокусированного излучения, как по поверхности, так и в объеме позволяют проводить определенные операции обработки на воздухе. Термохимические процессы, развивающиеся при этом в паровой фазе, в определенных режимах облучения могут оказать существенное влияние на результат лазерной абляции.

Большое внимание уделяется лазерной абляции полимерных материалов. Далеко

*

не полный перечень применений импульсно лазерной абляции полимерных материалов включает напыление тонких полимерных покрытий, создание лазерных двигателей малой тяги, производство микродеталей и миниатюрных линз [8-10].

1.4 Лазерная абляция полимерных материалов

Лазерная абляция является одним из основных методов деструкции полимеров под действием лазерного излучения. Ей посвящена обширная литература, но лазерная абляция полимеров лучше всего рассмотрена в двух взаимодополняющих обзорах [11, 12]. Изложим основные сведения по лазерной абляции полимеров.

Прежде всего, нужно отметить, что в публикациях термин «лазерная абляция» трактуется по-разному. Связано это со сложностью процессов, происходящих при воздействии лазерного излучения на полимер: одновременно происходят процессы термической, термоокислительной и/или механической

деструкции, в результате чего происходит испарение фрагментов макромолекул (вплоть до олигомеров), а в некоторых случаях наблюдается и отрыв частиц полимера и наполнителя газовой или плазменной струей. Кроме того, абляция вещества сопровождается большим числом сопутствующих эффектов: конденсацией пара, диспергированием жидкой фазы и т.д.

В настоящее время под лазерной абляцией подразумевается процесс разрушения твердого вещества, аналогичный испарению или сублимации, обычно осложненный наличием конденсированной фазы в продуктах разрушения. При этом можно выделить три отличительные черты этого процесса:

• абляция непосредственно связана с поглощением лазерного излучения в материале;

• абляция может протекать в вакууме или инертной среде;

• результатом лазерной абляции является формирование парогазового (пароплазменного) облака продуктов этого процесса.

В силу первого ограничения к лазерной абляции не относятся процессы, связанные с механическим разрушением вещества под действием ударной волны, возбуждаемой лазером во внешней среде — в газе или жидкости. Это ограничение относится и к процессам лазерного травления вещества при оптическом пробое внешней среды. Второе ограничение исключает процессы химического травления, стимулированного лазерным воздействием [13]. Третье ограничение не позволяет отнести к лазерной абляции, рассмотренные выше процессы механического разрушения, происходящие при непосредственном поглощении энергии в разрушаемом материале, в тех случаях, когда продукты разрушения не образуют парового облака.

Энергетическая эффективность лазерной абляции полимерных материалов зависит от количества поглощенной энергии при определенной плотности. В инфракрасном, видимом и ближнем ультрафиолетовых диапазонах частот поглощение излучения описывается законом Бутера—Ламберта (13):

/(2г) = /0^ехр(-^г),

(13)

где 10 — интенсивность светового луча на поверхности; % — коэффициент поглощения; ъ — координата, отсчитываемая вглубь материала; ц — коэффициент, определяющий долю поглощенной энергии.

Энергия, поглощенная в слое образца за время V.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Баля, Вера Константиновна, 2014 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Парфенов В.А. Лазерная микрообработка материалов: Учебное пособие. // СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ»,— 2011,— 59 с.

2. Виноградов Б.А., Перепелкин К.Е., Мещерякова Г.П. Действие лазерного излучения на полимерные материалы: Научные основы и прикладные задачи. Книга 1 // СПб.: Наука.— 2006,— 379 с.

3. Либенсон М.Н., Шандыбина Г.Д., Шахмин А.Л. Химический анализ продуктов лазерной абляции наносекундного диапазона // Журнал технической физики.— 2000,— № 9.— С. 124-127.

4. Третьяков Ю.А. Азбука для всех. Нанотехнологии. Лазерная абляция. Под ред. Третьякова Ю.Д.. // М.: ФИЗМАТЛИТ.— 2008,— 368 с.

5. Dieter Bauerle Laser Processing and Chemistry // Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag.— 2000.— 788 p.

6. J. Meijer, K. Du, A. Gillner, D. Hoffmann, V. S. Kovalenko, A. Ostendorf, R. Poprawe, W. Schulz Laser machining by short and ultrashort pulses, state of the art and new opportunities in the age of the photons // CIRP Annals - Manufacturing Technology.— 2002.— Vol. 51.— Is. 2.— P. 531-550.

7. A. Zoubir, L. Shah, K. Richardson, M. Richardson Practical Uses of Femtosecond Laser Micro - Materials Processing // Appl. Phys. A.— 2003.— Vol. 77.—P. 311-315.

8. T. Lippert, J. T. Dickinson Chemical and Sectroscopic Aspects of Polymer Ablation: Special Features and Novel Directions // Chem. Rev..— 2003.— Vol. 103.— P. 453-485.

9. T. Lippert Laser Application of Polymers // Adv. Polym. Sci..— 2004.— Vol. 168.—P. 51-246.

10. N. Bityurin Studies on Laser Ablation of Polymers // Annual Reports Section «С» (Physical Chemistry).— 2005.— Vol. 101.— P. 216-247.

11. Анисимов С.И., Лукьянчук Б.С. Избранные задачи теории лазерной абляции // Успехи физических наук.— 2002 — Т. 172,— № 3.— С 301-333.

12. Саид-Галиев Э.Е., Никитин JI.H. Абляция полимеров и композитов под действием излучения С02-лазера (обзор) // Механика композитных материалов.— 1992.—№ 2,— С. 152-171.

13. Кононенко Т.В. Исследование механизма импульсной лазерной микрообработки аморфных углеродных пленок: автореферат дисс. канд. физ.-мат. наук: 01.04.21 / Кононенко Тарас Викторович.— М., 1996.— 28 с.

14. Перепелкин К.Е. Структура и свойства волокон // М.: Химия.— 1985.— 208 с.

15. Привалко В.П. Молекулярное строение и свойства полимеров // JL: Химия.— 1986.—240 с.

16. Ван Кревелен Свойства и химическое строение полимеров / (пер. с англ), Голландия, 1972. Под ред. А. Я. Малкина // М.: Химия.— 1976.— 416 с.

17. Коршак В.В. Химическое строение и температурные характеристики полимеров // М.: Наука.— 1970.— 390 с.

18. Годовский Ю.К. Теплофизика полимеров // М.: Химия.— 1982.— 280

с.

19. Годовский Ю.И. Теплофизические методы исследования полимеров // М.: Химия.— 1976.—216 с.

20. Шарплез Аллан Кристализация полимеров / Пер. с англ. канд. хим. наук А. Б. Зезина и В. М. Гуревича. / Под ред. канд. хим. наук Н. Ф. Бакеева // М.: Мир.— 1968,— 200 с.

21. Убеллоде А. Плавление и кристаллическая структура / Пер. с англ. / Под ред. А. И. Китайгородского // М.: Мир.— 1969.— 420 с.

22. Салимгареева В.Н., Колесов С.В. Термическая деструкция и стабилизация полиметилметакрилата // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология.— 2007.— Т. 50.— Вып. 7.— С. 3-11.

23. Шибаев JI.A., Гинзбург Б.М., Антонова Т. А., Уголков В. Л., Меленевская Е.Ю., Виноградова Л.В., Новоселова А.В., Згонник В.Н.

Термическая и термоокислительная деструкция полиметилметакрилата в присутствии фуллерена И Высокомолекулярные соединения.— 2002.— Т. 44 А.— №5.—С. 815-823.

24. Т. Kashiwagi, A. Inaba, J.E. Brown, К. Hatada, Т. Kitayama, Е. Masuda Effects of weak linkages on the thermal and oxidative degradation of poly (methyl methacrylates) // Macromolecules.— 1986.— Vol. 19 — № 8.— P. 2160-2168.

25. Грасси H., Скотт Дж. Деструкция и стабилизация полимеров / Пер. с англ. // М.: Мир.— 1988.— 246 с.

26. J. Mita Aspects of Degradation and Stabilization of Polymers. // Ed. by Jellinek H.H. // N.-Y.: Elsever Sci. Publ.— 1978.— P. 247-294.

27. A. Brockhaus, E. Jenckel Uber die Kinetik des thermischen Abbaues von Polymethacrylsauremethylester // Makromol. Chem.— 1956.— Vol 18.— C. 262-293.

28. Грасси H. Химия процессов деструкции полимеров / Пер. с англ. / Под ред. Ю. М. Малинского // М.: Изд-во иностранной литературы.— 1959.— 259 с.

29. S.S. Stivala, L. Reich Structure vs stability in polymer degradation // Polym. Eng. and Sci..— 1980.— Vol. 20.— № 10.— P. 654-661.

30. Мадорский С. Термическое разложение органических полимеров / Пер. с англ. под ред. С. Р. Рафикова // М.: Мир.— 1967.— 328 с.

31. Гладкова Л.Г., Колпикова Е.Ф., Выгодский Я.С., Фиалков А.С. Направленный пиролиз поликонденсационных полимеров // Успехи химии.— 1988.—Т. 57,—№10.—С. 1742-1762.

32. J. Siegel, К. Ettrich, Е. Welsch, Е. Matthias UV-laser ablation of ductile and brittle metal films // Appl. Phys.— 1997.— Vol. 64. — P. 213-218.

3 3, Инструкция по эксплуатации лазерного гравера Laser Graver LG 1 OF 15

34. Инструкция по эксплуатации измерительного микроскопа OLYMPUS

STM6

35. Назаров M.M., Шкуринов А.П., Кулешов Е.А., Тучин В.В. Терагерцовая импульсная спектроскопия биологических тканей // Квантовая электроника.— 2008.— №7.— Т. 38,— С. 647-654.

36. Назаров М. М., Шкуринов А.П., Ангелуц А.А., Сапожников Д.А. Выбор нелинейных оптических и полупроводниковых преобразователей фемтосекундного импульса лазерного излучения в терагерцовый диапазон // Известия ВУЗов, Радиофизика.— 2009.— Т. 52.— № 8.— С. 595-606.

37. Баля В.К., Денисюк И.Ю. Получение трехмерных оптических микроструктур с использованием лазерного гравера // Известия ВУЗов. Приборостроение.— 2012.— т. 55.— № ОЗ.— С. 51-56.

38. J. Е. A. Pedder, A. S. Holmes, Н. J. Boot Pulsed laser ablation of polymers for display applications // Proc. Photonics West LASE. SPIE Proceedings.— 2008.— Vol. 6879.—paper № 68790S.

39. Сайт, посвященный различным аспектам переработки полимеров. [Электронный ресурс] http://www.plastmassy.narod.ru/index23.htm, свободный.

40. Энциклопедия полимеров / Т. 2.— JI-Полинозные волокна. М.: Советская Энциклопедия.— 1974. — С. 607

41. James С. Wiltse Diffraction optics for terahertz waves // Proceeding of SPIE.—2004.—Vol. 5411,—P. 127-135.

42. Dajun Yuan, Suman Das Experimental and theoretical analysis of direct-write laser micromachining of polymethyl methacrylate by C02 laser ablation // Appl. Physics.—2007.—Vol. 101.—P. 024901-1-024901-6.

43. Энциклопедия полимеров / Т. 2.— Л-Полинозные волокна // М.: Советская Энциклопедия.— 1974.

44. G. Heise, М. Englmaier, С. Hellwig, Т. Kuznicki, S. Sarrach, Н.Р. Huber Laser ablation of thin molybdenum films on transparent substrates at low fluences // Appl. Phys. A.—2011.—Vol. 102.—P. 173-178.

45. G. Heise, M. Dornke, J. Konrad, S. Sarrach, J. Sotrop, H. P Huber Laser lift-off initiated by direct induced ablation of different metal thin films with ultra-short laser pulses И J. Phys. D: Appl. Phys.— 2012.— Vol. 45,— 315303.— 8 p.

46. Сайт научно технического центра Прикладная Компьютерная Оптика НТЦ ПКО [Электронный ресурс] Режим доступа http://www.compoptics.ru/index.php, свободный.

47. Физическая энциклопедия в 5-ти томах / Гл. ред. A.M. Прохоров // М.: Советская энциклопедия.— 1988.

48. R.A. Lee Colourtone lithography // Microelectronic Engineering.— 2002.—P. 105-111.

49. P.W. Leech, R.A. Lee Optically variable micro-mirror arrays fabricated by graytone lithography // Microelectronic Engineering.— 2006,— Vol. 83.— P. 351-356.

50. R.A. Lee, P.W. Leech Optically variable watermark (OVW) microstructures for transparent substrates // Microelectronic Engineering.— 2006.— Vol. 83,— P. 2004-2008.

51. F. Yongqi, B. Kok, A. Ngoi Investigation of direct milling of micro-optical elements with continuous relief on a substrate by focused ion beam technology // Optical Engineering.— 2000.— Vol. 39 — №11— P. 3008-3013.

52. Баля B.K., Булгакова В.Г., Денисюк И.Ю. Микролинзовые решетки с эффектом плавающего изображения // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.— 2013.— Вып. 86.— № 04.— С. 1-4.

53. R. Voelkel, K.J. Weible Laser beam homogenizing: limitations and constraints // Proc. SPIE.— 2008.— Vol. 7102.— paper № 71020J.— 12p.

54. T. Kajava, M. Kaivola, J. Turunen, P. Paakkoned, M. Kuittien, P. Laakkonen, J. Simonen Excimer laser beam shaping using diffractive optics // Lasers and Electro-Optics Europe.— Conference digest.— 2000.

55. I. Harder, V. Lano, N. Lindlein, J. Schwider Homogenizations and beam shaping with microlens arrays // Photon Management, Proceeding of SPIE.— 2004.— Vol. 5456.—P. 99-107.

56. R. Bitterli, M. Kim, T. Scharf, H.-P. Herzig, A. Bich, С. Dumouchel, S. Roth, R. Volkel, and K. J. Weible Refractive statistical concave ID diffiisers for laser beam shaping // SPIE. Laser Beam Shaping IX.— 2008.— Vol. 7062.— 8 p.

57. August Köhler Zeitschrift für Wissenschaftliche Mikroskopie. // Band X, Seite.— 1893.—P. 433-440.

58. К. Rantsch, L. Bertele, H. Sauer, A. Merz Illuminating System. // US-Patent 2186123, United States Patent Office.— 1940.

59. R. Voelkel, M. Eisner, K.J. Weible Micro-optics: manufacturing and characterization // Proc. SPIE.— 2005 — Vol. 5965.

60. Баля В.К., Денисюк И.Ю., Бараусова Е.В. Гомогенизаторы лазерного излучения, изготовленные методом лазерной гравировки полимерных пленок // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики,— 2013.— Вып. 83,— № 01.— С. 50-54.

61. Арефьева Н.Н., Денисюк И.Ю. Применение метода наноимпринта для единичного копирования полимерно френелевской оптики // Оптически журнал.— 2008.— Т. 75.— №7.— С. 71-74.

62. Арефьева Н.Н., Денисюк И.Ю. Применение наноимпринт-литографии для получения нано- и микро-элементов фотоники // Известия ВУЗов. Приборостроение.— 2010.— Т. 53.— № 3.— С. 74-77.

63. Баля В.К., Денисюк И.Ю., Шекланова Е.Б., Ворзобова Н.Д. Нерегулярная дифракционная решетка для лазерного генератора линии // Известия ВУЗов. Приборостроение.— 2013.— Т. 56.— № 12.— С. 61-65.

64. Назаров М.М., Баля В.К., Рябов А.Ю., Денисюк И.Ю., Шкуринов А.П. Получение метаматериалов терагерцового диапазона методом лазерной гравировки // Оптический журнал.— 2012.— Т. 79.— № 04.— С. 77-84.

65. С.М. Soukoulis, М. Kafesaki, E.N. Economou Negative-index materials: new frontiers in optics // Adv. Mater.— 2006.— Vol. 18.— P. 1941-1952.

66. J. Homola Surface plasmon resonance sensors for detection of chemical and biological species // Chem. Rev.— 2008.— Vol. 108.— P. 462-93.

67. A.M. Melo, A.L. Gobbi, M.H.O. Piazzetta, A.M.P.A. da Silva Cross-shaped terahertz metal mesh filters: historical review and results // Adv. Opt. Technol.— 2012.— Vol. 2012.— P. 1-12.

68. Физический энциклопедически словарь / Гл. ред. A.M. Прохоров // М.: Советская энциклопедия.— 1983.

© n

69. Yong Ma, A. Khalid, TimothyD. Drysdale, David R. S. Cumming Direct fabrication of terahertz optical devices on low-absorption polymer substrates // Optics Letters.—2009.—Vol. 34.—№. 10 —P. 1555-1557.