Лазерное текстурирование поверхности с использованием одного дифракционного оптического элемента

Введение

Создание рисунка на поверхностях различных материалов с помощью лазерного текстурирования поверхности (LST) имеет большой экономический и экологический потенциал за счет добавления свойств поверхности, адаптированных к конкретным условиям применения, таких как увеличение или уменьшение трения, гидрофобность, повышенное рассеяние света и т. д.

Постоянно растущая доступность мощности лазера позволяет обрабатывать лазером все большие площади, сохраняя при этом преимущества LST, такие как точность, сухая среда, микромасштабность и гибкость геометрии.

Прямая лазерная интерференционная печать (DLIP) - это один из нескольких лазерных методов, используемых для обработки больших площадей с высокой скоростью. В отличие от методов одиночного лазерного сканирования, DLIP формирует всю область с помощью одного импульса с периодом поверхности, который зависит от угла интерферирующих пучков и длины волны лазера. Этот метод предлагает беспрецедентную гибкость с точки зрения периода рисунка, а также большую глубину фокуса, но требует довольно сложной и чувствительной к допускам настройки.

Теоретические основы

В существующих публикациях о DLIP авторы использовали многоэлементные установки, в которых падающий луч разделялся на суб-лучи (обычно 4), которые индивидуально перенаправлялись преломляющей или отражающей оптикой, чтобы быть параллельными, и фокусировались на целевой плоскости. Улучшенная установка, продемонстрированная Эль-Хури и др., имела дополнительный формирователь луча Top Hat, расположенный перед светоделителем, для улучшения однородности интенсивности узорчатых элементов, HAZ (зона термического влияния) относится к области, где интенсивность не достигает порогового значения и преобразуется в нежелательный тепловой эффект, а также другое преимущество - скорость процесса.

Основными ограничениями этих классических решений DLIP являются сложность сборки элементов без вращательной симметрии (формирователь луча, светоделитель и призма) и ограниченная свобода модификации (фиксированный размер пучка формирователя луча и геометрия диаграммы, определяемая конфигурацией светоделителя и установленной призмой). Классическая установка DLIP, показанная на рисунке 1 (а), включает в себя мощный короткоимпульсный пико- или фемтосекундный лазер, регулируемый расширитель луча, мощный светоделитель с дифракционным оптическим элементом (DOE) для разделения падающего луча на два или больше пучков, коллимирующая призма для разделения порядков дифракции и фокусирующий объектив с высокой числовой апертурой.

Предлагаемая командой отдела исследований и разработок Holo/Or альтернативная установка, показанная на рисунке 1 (b), хорошо известна в лазерных промышленных приложениях. Она включает в себя тот же лазер, что и классическая установка DLIP, регулируемый расширитель луча для точной настройки размера луча, один DOE светоделитель, который создает интерференционную картину в плоскости изображения, и F-theta сканер. Требуются лишь небольшие изменения для преобразования существующих промышленных лазерных устройств для приложений DLIP. Ключевое различие между стандартными системами параллельной обработки, используемыми в аналогичной конфигурации, и предложенной концепцией заключается в том, что цель предлагаемого решения состоит в модификации характеристик всей площади поверхности за счет индивидуального рисунка поверхности вместо отдельных точек. Это достигается за счет определенных критериев, которые будут рассмотрены ниже.

Дифракционный светоделитель, используемый в предлагаемой установке, представляет собой элемент периодической фазовой решетки, который разделяет падающий пучок на заранее заданные конфигурации дифракционных порядков. Дизайн элемента выполняется с помощью алгоритма итеративного преобразования Фурье (IFTA). Этот алгоритм позволяет получить желаемую конфигурацию порядка дифракции в дальней зоне с индивидуальным контролем интенсивности каждого дифрагированного порядка. В дальней зоне получаются хорошо разделенные дифракционно ограниченные пучки.
Теория решеток, используемая для анализа таких решеток, предполагает, что бесконечное число периодов равномерно освещается падающим светом, т. е. отношение периода решетки к размеру пучка приближается к нулю. Когда это отношение значительно превышает 0, в выходном световом поле появляются особые явления.

В частности, в освещении для предложенного метода LST авторы используют особое, эмпирически обнаруженное соотношение между размером падающего луча и размером периода решетки. Условие производительности состоит в том, чтобы найти значение, когда порядки дифракции хорошо разделены, но все же близки. Это состояние возникает на границе между периодическими решетками, такими как дифракционные делители луча, и решениями для непериодического формирования луча, такими как формирователи луча Top Hat. Как покажет Holo/Or, для нечетного числа разделенных дифракционных порядков это отношение составляет около 0,65.

Для всех расчетов в статье были использованы одни и те же параметры: длина волны 1064 нм, размер луча 8 мм, эффективное фокусное расстояние (EFL) 30 мм и размер пятна с ограничением дифракции 5.1 мкм. Для распространения был использован метод распространения физического оптического углового спектра, который наиболее подходит для демонстрации интерференционных явлений. Этот метод распространения широко используется для проектирования и моделирования лазерных оптических систем, а также обычно в программном обеспечении для коммерческого проектирования оптики.

Рисунок 1. (а) Классическая установка FLIP. (b) Предлагаемая альтернативная FLIP оптическая установка для LST. Между расширителем луча и сканером помещается специальный LST DOE

В первом моделировании (Рисунок 2), авторы показывают эффект использования различных соотношений размера пучка к размеру периода на примере 15×15 порядков дифракции, созданных одним DOE светоделителем в фокальной плоскости фокусирующей линзы. Видно, что для больших отношений размера пучка к размеру периода (0.7 и 0.65) точки в массиве хорошо упакованы и даже имеют некоторое перекрытие, а для меньших отношений (0.6 и 0.55) коэффициент заполнения уменьшается. С другой стороны, конструкции с меньшим коэффициентом заполнения обеспечивают лучшую глубину резкости (DOF). Глубина резкости определяется как расстояние по оси Z, когда порядки все еще разделены. Во всех соотношениях результирующая огибающая интенсивности имеет форму Top Hat, поскольку все дифракционные порядки были получены с одинаковой интенсивностью без необходимости в каком-либо специальном формирователе луча Top Hat, который требуется для достижения аналогичных результатов в DLIP.

Рисунок 2. Влияние соотношения между размером пучка и размером периода светоделителя DOE. Компромисс между большей глубиной резкости для меньших периодов и лучшим коэффициентом заполнения для больших периодов

В качестве второго исследования, чтобы найти оптимальное соотношение между размером пучка и периодом решетки, была смоделирована интенсивность в фокальной плоскости для одномерного светоделителя с 15 порядками и приближена к функции квадрата косинуса. Функция квадрата косинуса была выбрана потому, что она описывает оптимальную топографию поверхности для многих приложений DLIP LST. На рисунках 3(a) –3(d) демонстрируется, что наилучшие результаты с точки зрения квадратов косинусоподобных профилей интенсивности достигаются при этом же соотношении 0.65 между размером луча и размером периода светоделителя DOE. Отношение 0.55 лучше подходит близко к локальному экстремуму периодической функции, но при сравнении общего качества подобия лучшее соотношение составляет 0.65. На рисунке 3(e) мы подтверждаем результаты количественно, сравнивая интегральную разность между распределением интенсивности и функцией квадрата косинуса.

Рисунок 3. (a) - (d) Профиль интенсивности одномерного светоделителя из 15 точек при постоянном размере падающего пучка и разных размерах периода DOE. (e) Интегральная разница между интенсивностью и функцией квадрата косинуса как функция отношения между периодом и размером пучка. На этом графике, подобном параболе, минимальное значение находится в соотношении, равном 0.65

Важно отметить, что для некоторых приложений могут быть предпочтительны другие соотношения. Тем не менее, общий оптический дизайн остался прежним.
На рисунке 4 демонстрируется влияние отношения размера пучка к размеру периода на глубину резкости. Даже небольшая разница в периоде имеет сильный эффект. На приведенных примерах глубина резкости установки с периодом, равным 0.5 размера пучка, почти вдвое больше, чем для периода, равного 0.65 размера луча .

Рисунок 4. Анализ глубины резкости вблизи положения фокуса для двух значений отношения между размером периода и размером пучка. Нулевое положение относится к фокальной плоскости. Меньшие отношения приводят к большей глубине резкости

Практический пример для структур с большой площадью

Концепция LST, которую представляет Holo/Or, может легко приспособиться к структурированию большой площади, поскольку количество порядков в светоделителе может легко превышать 1000. Давайте рассмотрим случай, когда период структуры составляет типичные 6 мкм (удобно для супергидрофобных поверхностей). Чтобы покрыть площадь 12×12 мм2 с шагом 6 мкм, понадобится DOE светоделитель с 2001×2001 порядками.
Предполагая, что фокусная линза с EFL = 100 мм, такой светоделитель будет иметь период 17.7 мм, то есть при соотношении 0.65 нам потребуется пучок диаметром 27.2 мм. Эти параметры доступны в стандартных готовых линзах F-theta. Сам DOE будет иметь легко производимый полный угол 6.8°, что позволит создавать эффективные многоуровневые решения, включающие методы исключения нулевого порядка. Плотности мощности на DOE для этого метода LST относительно невелики, так как размер пучка очень велик, а элемент DOE из плавленого кварца с высокой мощностью может легко выдерживать типичные для LST высокие плотности мощности и энергии импульса.

Несколько примеров LST

В этом разделе приведено несколько примеров, показывающих, что предлагаемый авторами метод структурирования позволяет свободно генерировать распределение интенсивности любого уровня сложности. На рисунке 5 (а) показана возможность управления обработанными и необработанными областями без потерь энергии. На рисунке 5 (b) приведено распределение гексагонального порядка с лучшим коэффициентом заполнения по сравнению с квадратным. На рисунках 5 (c) и 5 (d) показан пример сочетания полупериодического оптического формирования и непериодических функций (Top Hat Shaper и Axicon).

Рисунок 5. (а) Структура изображения имеет некое подобие шахмат. Структура ячейки включают 5 × 5 лунок, определяющих гауссовские микроструктуры. (b) Структура гексагональной решетки, включающая 64 микроструктуры гауссовой формы. (c) Распределение интенсивности комбинации между гексагональным светоделителем и небольшим квадратным формирователем луча. (d) Распределение интенсивности, похожее на кожу, созданное комбинацией гексагонального светоделителя и Axicon с определенным соотношением периодов

Сравнение с DLIP

Предлагаемая оптическая установка обладает значительно более низкой чувствительностью к юстировке по сравнению с DLIP и в основном полностью нечувствительна к центрированию DOE относительно луча, в отличие от DLIP, где центрирование луча на призме критично.

DOE может иметь большой период (малые углы дифракции) и выигрывает по точности изготовления и  дифракционной эффективности за счет изготовления многоуровневых или киноформных дифракционных картин. КПД может достигать 90%. Напротив, бинарный четырехлучевой делитель пучка DOE, используемый в DLIP, имеет номинальный КПД 65%.

Еще один важный параметр качества - равномерность порядков дифракции. В большинстве случаев ожидаемый контраст однородности составляет менее 10%. Тот факт, что луч освещает небольшое количество периодов, не оказывает существенного влияния на выходную интенсивность.

Фокусирующая оптика, используемая для предложенного метода LST на основе DOE, - F-theta линза, обычно используемая в промышленных приложениях. Поскольку в этом методе не используется полное поле сканирования, которое позволяют линзы, его можно использовать с более высокой числовой апертурой, чем обычно допускается при сканировании, что позволяет создавать рисунки с шагом 6 мкм и даже меньше.

Одним из важных аспектов, в котором установка LST ограничена по сравнению с DLIP, является гибкость шага. В то время как для DLIP изменение шага поверхности может быть легко выполнено путем регулировки относительных углов луча, предложенный метод LST ограничен определенным шагом, который предопределен углом разделения DOE и фокусирующей оптикой.

Эту проблему можно частично решить, заменой DOE для каждого процесса или добавив регулируемый телескоп между DOE и фокусирующей оптикой, что позволит применять масштабирование к шаблону, включая шаг. Однако для большинства промышленных приложений потребность в гибкости ограничена, и определенный фиксированный шаг вполне применим.

Выводы

В статье представлен надежный метод структурирования света, который можно использовать в качестве альтернативы DLIP для приложений LST. Идея состоит в том, чтобы использовать периодический DOE с определенным размером пучка, чтобы достичь оптимального коэффициента заполнения на обрабатываемой площади. Этот метод имеет очевидные преимущества перед методами DLIP с несколькими интерферирующими лучами, включая лучшую однородность, более высокую эффективность, лучшую HAZ, меньшую сложность сборки, большую свободу формования и более низкие системные затраты. В качестве практического случая было обсуждено создание структур с высокой плотностью на большой площади с помощью предложенного метода и показано, что это возможно. 

Упрощение систем LST с использованием предложенного подхода может быть привлекательным во многих приложениях в качестве альтернативы DLIP, особенно в промышленных приложениях, где нет большой необходимости в гибком изменении шага и где надежность и простота имеют большое значение.

© J. Laser Appl., 2020, Vol. 32, pp. 032011 - 032011-6

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Holo/Or на территории РФ