Создание пленочной микрооптики методом лазерной абляции полимерных материалов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Баля Вера Константиновна

СОЗДАНИЕ ПЛЕНОЧНОЙ МИКРООПТИКИ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность: 01.04.05 - Оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

005558175

Санкт-Петербург - 2014

005558175

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор,

Денисюк Игорь Юрьевич

Официальные оппонента: Петров Виктор Михайлович,

доктор физико-математических наук, профессор,

ФГАОУ ВО «СПбПУ»,

заведующий кафедрой квантовой электроники

Михайлов Анатолий Васильевич,

кандидат технических наук, ОАО «ГОИ им. С.И. Вавилова», главный технолог

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова»

Защита состоится «18» декабря 2014 г. в 17 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.227.02 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, ауд, 285.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики и на сайте http://fppo.ifmo.ru.

Автореферат разослан 4 г.

Ученый секретарь ;

диссертационного совета Д 212.227.02, ^Денисюк И.Ю.

доктор физико-математических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 поверхностей элементов для использования в реальном секторе экономики. Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:

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

2. Проведение исследований процессов абляции металлизированных пленок;

3. Определение условий для получения поверхностей оптического качества;

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

5. Формирование защитных микропризменных растровых элементов;

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

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 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. 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, формирующих заданное распределение силы света вдоль линии и сглаживающих дифракционные максимумы.

Практическая значимость и реализация результатов 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 ПК 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 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 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.

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 диссертационного исследования 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. Список работ приведен в конце автореферата.

Личный вклад автора: содержание диссертации 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 научным руководителем и соавторами, причем вклад диссертанта был определяющим.

Структура и объем диссертации: диссертационная работа состоит из 90 страниц, включая 46 рисунков и 4 таблицы. Список литературы составляет 69 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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 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. Проведенный обзор показывает, что все полимеры в зависимости от их поведения при воздействии на них лазерным лучом можно разбить на три группы: полимеры, которые плавятся и разбрызгиваются; полимеры, образующие на поверхности слой угля; полимеры, испаряющиеся без остатка. Исследована каждая группа полимеров. Рассмотрено поведение тонких металлизированных пленок при воздействии на них лазерного излучения.

Во второй главе рассмотрены объекты и методы исследования. Объектами диссертационной работы являются:

• полиэстеровая пленка с термочувствительным слоем на базе полибутилметакрилата (ПБМА), близком к полиметилметакрилату (ПММА), с наночастицами сажи, которые обеспечивают поглощение лазерного излучения. Толщина испаряемого слоя 10 — 13 мкм;

• полиэтиленовая пленка;

• металлизированная пленка, которая представляет собой лавсан толщиной 100 мкм с нанесенным на него тонким слоем алюминия толщиной 0,5 мкм.

Формирование элементов проводилось на лазерном гравере LaserGraver. Микрофотографии поверхности элементов получены с помощью измерительного микроскопа OLYMPUS серии STM6. Визуальная оценка,

измерения и фотографирование высоты неровностей тонкообработанных поверхностей проводились на микроинтерферометре Линника МИИ-4. Фотометрирование проводилось на приборной базе кафедры Инженерной Фотоники с помощью фотометра и калиброванного источника света. Спектры пропускания в терагерцовой области частот снимались в сотрудничестве с МГУ им. Ломоносова, лаборатория проф. А.П. Шкуринова.

В третьей главе рассмотрены основные особенности работы лазерного гравера. LaserGraver LG2500 SP47 — это устройство обработки черной полимерной или металлизированной пленки методом абляции поверхностного слоя лучом Nd — YAG импульсного лазера с длиной волны 1,06 мкм, шаг растра 2,5 мкм (10160 dpi), диаметр фокального пятна 2,5 мкм.

При анализе микроструктур, получаемых прямой лазерной абляцией материалов на лазерном гравере, установлено, что основные наблюдаемые искажения формы поверхности канавок относительно ожидаемой обусловлены двумя причинами:

• построчной записью структуры, в результате чего линии изображения, имеющие наклон относительно направления лазерного излучения, состоят из отдельных точек;

• эффектом нагрева материала, приводящим к увеличению скорости абляции нагретых участков при многократном проходе луча в пределах небольшой площади [1].

На рисунке 1 приведены микрофотографии поверхности структуры, полученной путем лазерной абляции, характеризующие зависимость формы канавок от взаимного направления формируемой линии и лазерного излучения.

а б

Рисунок 1 — Поверхности микроструктуры, полученной после абляции ПБМА. а — формируемые линии параллельны развертке лазерного излучения,

б — перпендикулярны

При продольном (параллельном) расположении линии относительно развертки лазерного излучения (рисунок 1 (а)) формируется наиболее ровная боковая поверхность канавки, имеющая оптическое качество, что обеспечивает получение микропризм с точной величиной угла блеска.

При расположении формируемой линии поперечно (перпендикулярно) развертке лазерного излучения (рисунок 1 (б)) на пленке прожигаются отдельные точки на расстоянии 2,5 мкм, при этом каждая следующая точка —

после полного оборота барабана, когда пленка успевает охладиться до комнатной температуры. Отмеченное выше взаимовлияние близко расположенных канавок здесь не наблюдается, но поскольку формируемая линия состоит из отдельных точек, боковая поверхность микропризмы не столь гладкая, как в первом случае, и наблюдается высокое рассеяние света при отражении.

Минимальная ширина формируемой линии обеспечивается при однократном проходе лазерного луча вдоль нее. При однократном проходе лазерного луча вдоль обрабатываемой линии в термопленке формируются канавки V — образной формы, на дне которой можно получить полосу шириной минимально 1,5 мкм. На рисунке 2 представлена микрофотография таких канавок в режиме микроскопа в отраженном свете, на дне которых видны сквозные (прорезанные на всю глубину материала) полосы.

Рисунок 2 — Минимальная формируемая линия

Здесь необходимо отметить, что форма V - образной канавки определяется апертурным углом записывающего луча и положением фокуса объектива гравера относительно поверхности обрабатываемого материала.

Проведены исследования лазерной абляции с помощью LaserGraver различных материалов, а именно: полиэтилена (ПЭ), полибутилметакрилата (ГТБМА), металлизированной полимерной пленки.

Полиэтилен — термопластичный полимер и относится к группе полимеров, которые при воздействии лазерного излучения плавятся. Большая разница температур стеклования (-120 °С) и плавления (138 °С) ПЭ приводит к получению широкого температурного интервала, в котором полимер находится в вязкотекучем состоянии, что предопределяет его деформацию и плавление вокруг области лазерной абляции.

При лазерной абляции полиэтиленовой пленки YAG - ND лазерным излучением с X = 1,06 мкм со скоростью 5 м/с происходит перераспределение тепла на большой площади, плавление. Вследствие этого — образование на краях канавки бортиков из расплавленного материала порядка полутора микрон высотой (рисунок 3 (а)). На дне канавок хорошо видны неоднородные затеки расплавленного материала (рисунок 3 (б)).

Рисунок 3 — Микрофотографии канавок, получаемых путем лазерной абляции полиэтиленовой пленки со скоростью 5м/с. а — фокусировка на поверхность микроструктуры; б — фокусировка на дно структуры

В результате искажается форма прорезанных линий, происходит оплавление и деформация канавок (рисунок 4) и, соответственно, канавки на полиэтиленовой пленке для оптического применения не пригодны. Хотя следует отметить, что плавление, обусловленное нагревом в ходе абляции, вызывает выравнивание микроструктур поверхности.

Исследована лазерная абляция полиэстеровой пленки с

термочувствительным слоем на базе ПБМА с наночастицами сажи, обеспечивающими поглощение лазерного излучения (Пленка термочувствительная ТУ 2379-027-00205156-96).

Данная пленка предназначена для изготовления фотошаблонов в виде темных и пробельных участков и, как показано в диссертации, также возможна нарезки на ней микроооптических элементов методом лазерной абляции.

Рассмотрены процессы абляции такой пленки. Полная деструкция полимерного слоя с выходом летучих продуктов и отсутствием частичного подплавления соседних участков обрабатываемой поверхности происходит при воздействии лазерного импульса на пленку ПБМА с частичной поперечной сшивкой. Сшивка ПБМА препятствует плавлению материала на большой площади так, как это имеет место для полиэтилена.

Использование ПБМА обусловлено полной деструкцией облучаемого материала. Этот процесс протекает следующим образом: при нагреве до 115 °С ПБМА переходит в вязкотекучее состояние, переход в жидкость происходит при 200 °С (переход в жидкое состояние называем плавлением), а при 360 °С начинается разложение, протекающее в два этапа — разрыв полимерной цепи по виниловой группе и испарение мономера [2]. При лазерной абляции ПБМА быстро нагревается до температуры деструкции. При этом под быстрым

20 мкм

размеры канавки (в разрезе), получаемой при обработке полиэтиленовой пленки со скоростью 5 м/с

нагревом понимается нагрев со скоростью, превышающей скорость теплопередачи на соседние участки обрабатываемого материала и, последующее его перетекание. Измерение оптической плотности пленки ПБМА показывает, что величина плотности составляет 3,0 на длине волны 1,06 мкм, следовательно, поглощается 99,9% лазерного излучения.

Приведен расчет энергии, абсорбируемой материалом, при воздействии однократного лазерного импульса, поступающего на один пиксель. В расчете мы принимаем полное поглощение падающего излучения. Условия абляции: Время воздействия на один пиксель, I = 350 не; скорость сканирования лазерного луча — 7 м/с; мощность лазерного излучения, Р = 5 Вт

Параметры теплоты испарения и теплоемкости материала представлены в таблице 1.

Таблица 1 — Параметры теплоты испарения и теплоемкости ПБМА

Параметр Значение

Удельная теплоемкость, С 1,27 Дж/г °С

Теплота испарения, 1_ 360,3 Дж/г

Плотность 1,05 г/см3

Температура плавления, Тщ, 138 °С

Энергия импульса, поступаемая на метериал при воздействии одного лазерного импульса:

1У = Р-(, (1)

У/ = 0.175-10"5 Дж. 0.0875-10"5 Дж

Удельная теплоемкость — физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать единичной массе данного вещества для того, чтобы его температура изменилась на единицу вычисляется по формуле (2):

тАТ' (2)

где ДТ =Т2 - Т,— разность начальной (Т1) и конечной (Т2) температур. Начальную температуру берем комнатную, 25 °С; СЬ — энергия, затрачиваемая на нагрев материала до Т2 — температуры плавления ПБМА; ш — масса материала, на который воздействует однократный лазерный импульс, поступающиий на один пиксель.

Энергия, затрачиваемая на нагрев ПБМА до температуры плавления равна 0,006-10~5 Дж.

Теплота испарения — физическая величина, характеризующая количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг вещества, взятому при температуре кипения, чтобы перевести его из жидкого состояния в газообразное:

I - Ql

L~ m> (3)

где Q2 — энергия, затрачиваемая на испарение ПБМА. Q2 = 0.015 -10Дж.

Теплоемкость при нагреве от 25 до 138 °С (Qi) + теплота испарения (Q2) составляет 0,021 10° Дж, что много меньше подводимой лазерной мощности. Следовательно, большая часть мощности расходуется на дальнейший нагрев мономера с его разделением на молекулы этилена и метана и полным испарением. Таким образом, при воздействии на ПБМА одного лазерного импульса с энергией 0,175 10"3 Дж материал мгновенно нагревается до температуры полной деструкции ПБМА и полностью испаряется и улетучивается.

Следует отметить, что в процессе лазерной абляции ПБМА происходит передача тепла соседним участкам, но поперечная сшивка препятствует оплавлению полимера на больших расстояниях от зоны лазерной абляции абляции. Поверхность же канавки, где присутствуют температуры сотни градусов, оплавляется, однако кратковременность процесса — 350 не, приводит к отсутствию термолиза и обугливания. Поэтому оплавленная поверхность остается гладкой. Вследствие оплавления боковых поверхностей канавки образуется оптически гладкая V - образная канавка (рисунок 5), что является необходимым условием для использования данного процесса при изготовлении микрооптических элементов, полученных методом лазерной абляции пленки ПБМА.

Рисунок 5 — Микрофотографии микроструктуры, получаемой путем лазерной

абляции резины со скоростью 1.5 м/с. а — фокусировка на поверхность микроструктуры; б — фокусировка на дно структуры; в — режим микроскопа в

проходящем свете

В качестве примера лазерной абляции тонких металлизированных пленок проведены исследования прямой лазерной абляции алюминированной пленки с толщиной металлизированного слоя 0,5 мкм.

При взаимодействии с лазерным излучением слой металла нагревается и активно испаряется. Удаление алюминия происходит неравномерно, в отдельных точках. В результате, слой алюминия растрескивается по краям обработки и отрывается от подложки, что приводит к искажениям краев (рисунок 6).

[20 ит |

Рисунок 6 — Микрофотография микроструктуры, получаемой путем лазерной абляции алюминированной пленки со скоростью 7 м/с. Режим микроскопа в проходящем свете

Отмечено, что неровности края на уровне 4 мкм определяют точность изготовления элементов, которая вполне достаточна для получения поляризаторов и полосовых фильтров

субмиллиметрового диапазона частот, потому что они очень малы по сравнению с длиной волны.

В четверной главе исследовано и проработано практическое применение лазерной абляции полимерных

материалов для изготовления элементов микрооптики.

В диссертационной работе получен микропризменный растр методом прямой лазерной абляции полимерной пленки ПБМА на лазерном гравере Laser Graver. Посредством выбора мощности излучения лазера, положением фокуса объектива и скорости сканирования удается обеспечить незначительное оплавление боковых поверхностей и получить оптическую поверхность, что подтверждается наблюдаемым углом

блеска микропризм (рисунок 7).

При заданном угле блеска V — образная канавка имеет зеркальное отражение (рисунок 7).

Рассмотрен принцип действия защитного элемента,

110 м \ / \/ \ / представляющего собой решетки ^^ /,, \т/ микропризм, повернутые под

различными углами. Микропризмы, сформированные на поверхности материала методом лазерной абляции, объединены в группы. В каждой группе микропризмы имеют один и тот же угол блеска и одинаковое направление,

соответствующее повороту на 0°, 90°. Следовательно, поворачивая защитный элемент, наблюдатель увидит .,вспыхивающие" надписи при совпадении угла наблюдения с углом блеска микропризм.

Изображение составляется из достаточно больших пикселей (50x50 мкм), в каждом из которых есть два подпикселя, заполненные определенными микропризменными растрами (рисунок 8). На рисунке 8 (а) в двух половинах пикселя записаны две ортогональные микропризменные решетки (условно маркированы «1» и «0»).

9 мкм

2 мкм

Рисунок 7 — схема и характерные размеры V — образной канавки, получаемой в процессе лазерной абляции пленки ПБМА со скоростью 7 м/с. (в разрезе)

f

1

— О

Рисунок 8 — Способ попиксельного кодирования решеток

Если записать одно изображение используя только кодировку пикселей вертикальными полосами, а второе на том же месте — только кодировку пикселей горизонтальными полосами, то при наблюдении с угла блеска вертикальной решетки будет видно первое («О»), а при наблюдении с угла блеска горизонтальной — второе («1») (рисунок 8 (б)). Таким образом, рассмотренный метод кодирования позволяет на одном и том же участке пленки создавать несколько изображений, видимых при различных углах наблюдения. Два наложенных изображения, записанные на одном и том же участке поверхности пленки наблюдаются с двух ортогональных направлений и отсутствует их взаимовлияние. Распределение элементов решеток по поверхности создает видимое с некоторого расстояния изображение, а от относительного размера элементов зависит яркость поверхности, что позволяет записывать, в том числе, и полутоновые изображения.

Рассмотренным методом кодирования был сформирован и изготовлен

защитный элемент путем лазерной абляции пленки ГТБМА.

На рисунке 9 приведена микрофография рельефа поверхности полученного защитного элемента, состоящего из участков разнонаправленных решеток микропризм.

На основе комбинации элементов решетки были выполнены две надписи, каждая из которых видима под определенным углом. Поскольку ортогональные решетки

размещаются в разных областях поверхности, они не накладываются, что позволяет записывать различные изображения. На рисунке 10 представлены два ортогональных

Рисунок 9 —

Микрофотография структуры, в которой элементы решетки имеют прямоугольную форму и ортогональное направление

фотоизображения защитного элемента, записанные на одной и той же поверхности и видимые под различными углами наблюдения (последовательно — 0,45°, 90°) [1].

Рисунок 10 — Фотографии двух ортогональных изображений, записанных на одной и той же поверхности и видимых под различными углами наблюдения (последовательно: 0°, 45°, 0°)

Таким образом, показано, что разработанная технология создания растровых микроизображений на поверхности полимерной пленки обеспечивает возможность записи нескольких изображений на одном и том же элементе площади так, что взаимовлияние решеток исключается, и оба изображения наблюдаются при повороте пленки на фиксированный угол (в данном случае 90 градусов).

Установлено, что плавление полимера, происходящее в результате суперпозиции двух факторов: поступления тепла, из области абляции и теплоотдачи в объем пленки, приводит к локальному оплавлению и скруглению обрабатывающихся поверхностей до образования микролинзового растра. Это достигается путем лазерной абляции пересекающейся системы канавок с шагом менее 25 мкм. С учетом произведенного анализа лазерной абляции ПБМА, для каждого направления формируемой линии относительно лазерного излучения подбирался оптимальные параметры лазерной абляции, обеспечивающие дозированное плавление поверхностей. На рисунке 11 представлена микрофотография перекрещивающихся канавок, в точках пересечения которых формируются микролинзовые закругленные поверхности.

МВД ШИНШН

Рисунок 11 — Микрофотография микролинз, полученных последовательной нарезкой вертикальных и горизонтальных линий

Методом наноимпринта была изготовлена полимерная копия маски [3]. Полученная структура представляет собой массив сфероконических микролинз, схема и характерные размеры которой представлены на рисунке 12.

4,5 мкм

«— -——■ -

25 мкм

Рисунок 12 — Схема сфероконических микролинз (сечение)

Рассмотрен и получен формирователь линии на основе апериодической решетки микропризм, формирующих заданное распределение силы света вдоль линии и сглаживающих дифракционные максимумы. Концепция исследуемого элемента основана на том факте, что лазерный луч монохроматический и, следовательно, необходимое расширение луча может быть выполнено посредством дифракционной решетки, имеющей неравномерное распределение дифракционных порядков, при котором высшие порядки значительно больше по интенсивности, по сравнению с 1-ми, 2-ми. Это легко выполняется на дифракционной решетке, высота штрихов которой существенно больше половины длины волны, а профиль штриха — треугольный, причем угол треугольника в сечении такой, что преломление света происходит в направлении углов ± 20 градусов, что обеспечивает требуемое повышение энергии в области высших порядков. Рассмотренный элемент формирует пучок в виде узкой линии, высота в вертикальной плоскости которой определяется использованной отрицательной линзой и естественной расходимостью лазерного луча. Длина линии в горизонтальной плоскости определяется углами дифракции решетки и составляет ± 20° по полуширине. Элемент универсален и имеет близкие характеристики для зеленого, желтого и красного диапазонов спектра, поскольку подъем интенсивности в области углов ± 20° определяется преломлением света на треугольном штрихе. Сглаживание (взаимное наложение) дифракционных максимумов достигается наложением друг на друга решеток с различными периодами, что приводит к повышению однородности интенсивности в линии. Обычно решетки с переменным периодом изготавливают с помощью делительных машин, которые не позволяют задавать переменные периоды, однако в нашем случае применение лазерного гравера с компьютерным управлением позволяет обойти это ограничение и задавать любой период кратный одному пикселю гравера (2,5 мкм).

Решетка образована периодически повторяющимися элементами, в каждом из которых полоски идут с переменным периодом: 10; 12,5; 15 мкм, далее повторяется (рисунок 13). При этом решетка со сбитым периодом по причине непостоянства шага нарезки не дает четко видимых дифракционных порядков и линия становится более однородной по длине. Форма штриха не

идеально треугольная, что объясняется заплавлением поверхности при лазерной обработке. Однако для данного применения скругление штриха не является недостатком, более того, оно вызывает некоторое расплывание дифракционных максимумов, что благоприятно сказывается на однородности формируемой линии [4].

Также была обнаружена нерегулярность высоты штриха во втором поле. Это связано с взаимовлиянием прорезаемых

параллельно канавок, когда первая вызывает нагрев окружающей области, а вторая получается шире по причине большей скорости абляции нагретого материала.

Распределение энергии в линии, сформированной решеткой со сбитым периодом, показано на рисунке 14 (а). Формирователь линии дает узкую линию света с заданными параметрами распределения интенсивности в телесном угле (рисунок 14 (б)).

Рисунок 13 — Микрофотография решетки со сбитым периодом в отраженном свете

• : — ^ ^.......

=£=1 -.....— Ш

-40 -30 -20 10

10 30 30 40

Рисунок 14 — Распределение энергии в линии, сформированной решеткой со сбитым периодом (а); формируемая линия (б)

Фотометрирование генератора линии на базе красного лазера с А,=635 нм дают следующие параметры: сила света в линии шириной 10 угловых минут — 15000 кД во всем угле ± 20 градусов в горизонтальной плоскости.

Методом прямой лазерной абляции алюминированной полимерной пленки с толщиной слоя А1 0,5 мкм получены «решетчатый поляризатор» (рисунок 15) и полосовой фильтр, образованный решеткой щелевых резонаторов (рисунок 16).

На рисунке 15 представлен спектр пропускания «решетчатого поляризатора» для двух ортогональных поляризаций [5].

5

С

2 <

0.0

• поляризация вдоль полосок поляризация поперёк полосок

1 2 Частота, ТГц

Рисунок 15 — Спектр пропускания изготовленного «решетчатого поляризатора»

"атр|

С

с с.

о

V

Частота, ТГц Частота, ТГц

Рисунок 16 — Спектры пропускания полосового фильтра. Слева — вектор поляризации сонаправлен с вертикалью (ось У), справа — вектор поляризации сонаправлен с горизонталью (ось X)

В заключении обобщены результаты исследования, сформулированы основные выводы.

Основные выводы и результаты работы

В диссертационной работе проведены исследования процессов лазерной абляции полимерных пленочных элементов с целью поиска условий получения микрооптики на основе одновременно протекающих процессов лазерной абляции и плавления полимерного пленочного материала, кратковременный нагрев которого обусловлен действием лазерного излучения, осуществляющего абляцию при сканировании луча по поверхности, а плавление обусловлено теплопередачей из зоны абляции. В результате суперпозиции двух процессов, несмотря на микронную 2,5 мкм величину пикселизации, происходит оплавление и сглаживание поверхности, форма которой определяется скоростью движения луча при абляции, мощностью, апертурным углом

лазерного луча и параметрами обрабатываемого полимера — соотношением температуры плавления и стеклования.

Показано, что лазерная абляция полимера, имеющего значительное различие между температурами стеклования и плавления, приводит к оплавлению канавки и искажения формы. Если температура стеклования достаточно высокая и приближается к температуре плавления, как это имеет место для частично сшитого ПБМА, форма канавки определяется апертурой луча и имеет треугольную форму, а поверхность канавки — оптическое качество, в результате локального оплавления. Данный процесс пригоден для изготовления микрооптических элементов, форма поверхности которых может регулироваться от треугольной до сфероконической.

С использованием разработанных методов и подходов созданы различные элементы микрооптики:

• защитные растровые элементы, растры микролинз;

• гомогенизаторы лазерного излучения;

• . формирователи линии на основе решетки со сбитым периодом;

• терагерцовые поляризаторы и полосовые фильтры. Разработанные основы технологии изготовления микрооптических

пленочных элементов, выполненных на большой площади методом лазерной абляции, которые были определяющими для выполнения ряда отечественных грантов и контрактов, выполнены при непосредственном участии автора.

Цитированная литература

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

2. Dajun Yuan, Suman Das Experimental and theoretical analysis of direct-write laser micromachining of polymethyl methacrylate by CO 2 laser ablation // Appl. Physics.—2007,—Vol. 101.—P. 024901-1-024901-6.

3. Арефьева H.H., Денисюк И.Ю. Применение метода наноимпринта для единичного копирования полимерно френелевской оптики // Оптически журнал,— 2008.— Т. 75.— №7.

4. 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.

5. 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.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах, входящих в Перечень ВАК и международные базы

цитирования

1. Балл В.К., Денисюк И.Ю. Получение трехмерных оптических микроструктур с использованием лазерного гравера // Известия ВУЗов. Приборостроение,— 2012,—Т. 55,—№ ОЗ.—С. 51-56.-0,375 п.л./0,188 п.л.

2. 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.— 0,5 п.л. /0,1 п.л.

3. 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.-0,313 п.л./0,156 п.л.

4. Баля В. К., 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,— 0,25 п.л. / 0,083 п.л.

5. 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.-0,313 п.л. /0,104 п.л.

Статьи в сборниках трудов международных конференций

6. Ангелуц А.А., Назаров М.М., Рябов А.Ю., Шкуринов А.П., Денисюк И.Ю., Баля В.К. Поверхностные тарагерцовые плазмоны на структурированной поверхности металла // Т79 Сборник трудов Международной конференции и семинаров «0птика-2011».— 2011,—Т. 2,— С. 591-593.-0,188 п.л./0,031 п.л.

7. Баля В.К., Шекланова Е.Б. Лазерный генератор линии на базе дифракционных решеток со сбитым периодом // Сборник трудов Международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики - 2012».—

2012,—Т. 79,—С. 193-195.-0,188 п.л./0,141 п.л.

Тезисы всероссийских конференций

8. Баля В.К. Получение метаматериалов терагерцового диапазона методом лазерной гравировки // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых,—2011.—Вып. 2,—С. 152-153.-0,125 п.л.

Прочие публикации

9. Баля В.К. Микрооптические элементы для защищенной печати // Научные работы участников конкурса «Молодые ученые НИУ ИТМО» 2012 года.—

2013,—С. 16-20.-0,313 п.л.

Подписано в печать 17.10.2014 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,1. Тираж 100 экз. Заказ №3591.

Отпечатано в ООО «Издательство "ЛЕМА"» 199004, Россия, Санкт-Петербург, 1-я линия В.О., д.28 тел.: 323-30-50, тел./факс: 323-67-74 e-mail: izd_lema@mail.ru http://www.lemaprint.ru