Способ лазерного формирования изображений в оптически прозрачной твердой среде

Изобретение относится к способам создания изображений внутри оптически прозрачных твердых сред путем их лазерной обработки при создании декоративных и художественных изображений внутри прозрачной твердой среды, изготовлении сувениров и другой аналогичной продукции. Способ лазерного формирования изображений в оптически прозрачной твердой среде включает фокусирование импульсного лазерного излучения в заданной точке в объеме среды, воздействие на нее лазерным излучением пикосекундной длительности при пиковой мощности Р, превышающей пороговую мощность Р_пор самофокусировки лазерного излучения в среде, и плотности мощности W, превышающей пороговое значение W_пор объемного пробоя материала среды, перемещение лазерного излучения в среде по заданному закону. Техническим результатом изобретения является снижение пороговой энергии образования дефектов, увеличение разрешающей способности изображения в плоскости, перпендикулярной лазерному лучу, и увеличение контрастности изображения. 8 з.п. ф-лы.

 

Настоящее изобретение относится к способам создания изображений внутри оптически прозрачных твердых сред путем их лазерной обработки и может найти применение при создании декоративных и художественных изображений внутри прозрачной твердой среды, изготовлении сувениров и другой аналогичной продукции.

Известен способ художественной обработки изделий из стекла, преимущественно боросиликатного, и хрусталя, заключающийся в отжиге стекла, полировании его поверхности и нанесении рисунка импульсами сфокусированного лазерного излучения. Нанесение рисунка лучом лазера осуществляют в воздушной среде с температурой 223-253 К, при этом световое пятно излучения фокусируют в массе изделия на расстоянии от внешних его поверхностей не менее ста диаметров пятна излучения, а температуру стекла в световом пятне доводят до значения, превышающего предел термостойкости (см. Авторское свидетельство СССР №1818307, МПК С 03 В 33/00, опубликовано 30.05.1993 г.).

Недостатком известного способа является необходимость в процессе нанесения изображения разогревать объект до высокой температуры, превышающей предел термостойкости. Это приводит в значительным локальным напряжениям, последующему растрескиванию стекла и, как следствие, большому размеру дефекта, а значит, низкой разрешающей способности способа.

Известен способ лазерного формирования изображений в твердых телах, заключающийся в фокусировке лазерного излучения в заданной точке в объеме образца и перемещении образца относительно лазерного луча по заданному объему. Облучение образца производят с плотностью мощности, превышающей пороговое значение объемного пробоя материала образца, и осуществляют перемещение образца относительно лазерного луча в трех взаимно перпендикулярных направлениях (см. патент РФ №2008288, МПК С 03 С 23//00, опубликован 28.02.1994 г.).

Известный способ позволяет создавать внутри образца трехмерные изображения из точечных дефектов, образующихся в результате оптического пробоя материала образца, однако использование лазера с длительностью импульса излучения в наносекундном диапазоне приводит к избыточно большой энергии каждого импульса и, как следствие, большим (свыше 50 микрон) дефектам, что не позволяет достичь высокой разрешающей способности изображений.

Известен способ создания изображения в оптически прозрачном материале с помощью импульсного лазерного излучения, совпадающий с заявляемым изобретением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип, включающий фокусирование лазерного луча для обеспечения регулируемого микроразрушения внутри материала, взаимное перемещение лазерного луча и материала в процессе создания точечного изображения, при этом изменение размеров создаваемых микроразрушений осуществляют одновременным изменением апертуры линз, фокусирующих лазерный луч, и мощности лазерного излучения (см. патент США №5637244, МПК В 23 К 26/02, опубликован 10.06.1997 г.).

Известный способ позволяет создавать изображения различной контрастности за счет изменения размера образующих изображение точек, однако использование лазера с длительностью импульса излучения в наносекундном диапазоне приводит к избыточно большой пороговой энергии образования дефектов и, как следствие, их большим (свыше 50 микрон) размерам, что не позволяет достичь высокой разрешающей способности изображений и затрудняет работу на высоких частотах повторения импульсов.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, являлось создание такого способа формирования изображений в оптически прозрачной твердой среде, который бы позволил: снизить пороговую энергию образования дефектов, увеличить разрешающую способность изображения в плоскости, перпендикулярной лазерному лучу, и увеличить контрастность изображения вдоль лазерного луча.

Поставленная задача решается тем, что способ лазерного формирования изображений в оптически прозрачной твердой среде включает: фокусирование импульсного лазерного излучения в заданной точке в объеме среды, воздействие на нее лазерным излучением пикосекундной длительности при пиковой мощности Р, превышающей пороговую мощность Р_пор самофокусировки лазерного излучения в среде, и плотности мощности W, превышающей пороговое значение W_пор объемного пробоя материала среды, перемещение лазерного излучения в среде по заданному закону, при этом пороговую мощность Р_пор определяют из выражения:

где λ - длина волны лазерного излучения, см;

n₀ - показатель преломления среды;

n₂ - коэффициент нелинейности показателя преломления среды, см²/Вт.

Заявляемый способ лазерного формирования изображений в оптически прозрачной твердой среде основан на использовании эффекта самофокусировки лазерного излучения при превышении пиковой мощности Р лазерного импульса пикосекундной длительности пороговой мощности Р_пор, определяемой из выражения (1).

В известном способе-прототипе для создания трехмерных изображений в твердой среде используют Nd:YAG лазер в режиме модулированной добротности, у которого длительность импульса определяется длиной резонатора и коэффициентом усиления активной среды и лежит в пределах 8-15 нс. При таких длительностях лазерного импульса даже при плотностях мощностях, слегка превышающих пороговую плотность мощности оптического пробоя W_пор, выделяющаяся в материале среды энергия лазерного импульса оказывается чрезмерно большой и приводит к образованию относительно крупного дефекта с размерами более 50 мкм, что не позволяет реализовать высокую разрешающую способность создаваемого в материале изображения.

Использование лазерных импульсов пикосекундной длительности и пиковой мощностью, превышающей порог самофокусировки излучения в данной среде, позволяет не только автоматически обеспечить в области фокуса лазерного излучения плотность мощности W, превышающую пороговое значение W_пор объемного пробоя материала среды, но и создавать существенно меньшие по размеру дефекты (30 микрон и менее), что в свою очередь позволяет резко повысить разрешающую способность метода. Этот результат обусловлен как тем обстоятельством, что выделяемая в лазерном пикосекундном импульсе энергия оказывается на несколько порядков меньше, чем в случае наносекундных импульсов, так и действием эффекта самофокусировки.

При увеличении мощности лазерного излучения выше порога Р_пор самофокусировки координата пробоя материала среды из-за эффекта самофокусировки лазерного луча движется навстречу лучу до достижения максимальной величины амплитуды импульса, а затем застывает в этой точке до конца импульса. При этом распределение поглощенной энергии по координате навстречу лучу оказывается подобно булаве, где на голову, имеющую примерно сферическую форму, приходится половина поглощенной энергии импульса.

Во время лазерного импульса вся энергия, выделяющаяся в материале среды, в основном сохраняется в области поглощения лазерного излучения, не успевая заметно диффундировать в стороны. В этой области происходит разрушение (плавление) материала среды и накопление в виде кинетической энергии атомов среды основной энергии поглощенного лазерного импульса. При этом суженная часть дефекта располагается вдоль траектории движения фокуса лазерного луча.

Длина суженной части дефекта определяется величиной смещения фокуса лазерного луча при его самофокусировке по мере возрастания амплитуды импульса, т.е. его мощностью. Диаметр утолщенной части дефекта зависит как от мощности, так и от длительности импульса, т.е. от энергии импульса, а диаметр же суженной части дефекта зависит только от длительности импульса, поскольку его Z-координата меняется пропорционально мгновенной мощности.

При этом суженная часть дефекта действует как эффективный волновод, собирающий свет и доставляющий его в утолщенную часть дефекта.

Это обстоятельство позволяет достичь большей контрастности при формировании с помощью лазера плоских и псевдоплоских (барельефов) изображений по сравнению с известным способом создания трехмерных изображений, не использующим эффекта самофокусировки лазерного излучения. В частности, использование заявляемого способа позволяет отказаться от приема создания нескольких слоев плоского изображения для увеличения общей контрастности изображения.

Работа в условиях самофокусировки лазерного луча гарантирует оптический пробой, т.е. при использовании заявляемого способа исключаются статистические пропуски дефектов при создании изображений.

Воздействие на оптически прозрачную твердую среду можно осуществлять лазерным излучением с длительностью импульса 10-300 пикосекунд.

При задании желаемого диаметра дефекта d длительность лазерного импульса можно определить из выражения:

где d - заданный диаметр дефекта, возникающего в точке объемного пробоя среды, см;

ρ - плотность среды, г/см³;

А_т - удельная теплоемкость материала среды, Дж/г·К;

Т_пл - температура плавления материала среды, К;

Т_к - температура среды, К.

Для формирования изображений в материале обрабатываемой среды можно использовать излучение лазера, работающего в режиме синхронизации мод, или излучение лазера, работающего по схеме задающий генератор - усилитель мощности с пикосекундным лазерным диодом в качестве задающего генератора.

Можно также воспользоваться лазерным излучением Nd:YAG лазера или Nd:YLF лазера, работающего на основной частоте, с пиковой мощностью Р, удовлетворяющей соотношению:

1 МВт≤Р≤1,1 МВт.

В заявляемом способе можно использовать лазерное излучение Nd:YAG лазера или Nd:YLF лазера, работающего на второй гармонике с пиковой мощностью Р, удовлетворяющей соотношению:

250 кВт≤Р≤275 кВт.

Возможно также использование лазерного излучения Nd:YAG лазера или Nd:YLF лазера, работающего на третьей гармонике, с пиковой мощностью Р, удовлетворяющей соотношению:

110 кВт≤Р≤120 кВт.

При осуществлении заявляемого способа можно использовать лазерное излучение с пиковой мощностью Р, лежащей в диапазоне:

1,1 Р_пор≤Р≤100 Р_пор.

Указанным способом можно обрабатывать любые оптически прозрачные как для излучения лазера, так и для видимого света материалы. Например, различные стекла, в том числе оптические типа К8 и кварцевые стекла, хрусталь, янтарь, пластмассы, кристаллы и минералы.

Заявляемый способ лазерного формирования изображений в оптически прозрачной среде осуществляют следующим образом.

Образец прозрачного твердого тела, подлежащий обработке, помещается в лазерную установку, как правило, полированной поверхностью, перпендикулярной лазерному лучу. Установка обеспечивает перемещение фокуса лазерного луча в трех взаимно перпендикулярных направлениях внутри образца по командам компьютера. При достижении очередной координаты точки, составляющей изображение, подается команда на лазерный выстрел, и в объеме создается точка-дефект, размеры и форма которого зависят от длительности и мощности лазерного импульса. Варьируя мощность или длительность, или то и другое, можно управлять размером точек.

Для получения высокого разрешения изображений необходимо генерировать минимальные по размеру точки, для чего, в свою очередь, необходимо уменьшать пороговую энергию образования дефекта. Это может быть достигнуто несколькими способами.

Во-первых, можно использовать одномодовый лазер и хорошую фокусирующую оптику. В прототипе использован одномодовый YAG-лазер, работающий в режиме модулированной добротности на основной частоте, и соответствующая оптика, что позволило довести размер дефектов до 50 микрон. Дальнейшее уменьшение размеров дефектов при длительности лазерных импульсов 8-15 нс возможно лишь при переходе ко второй или третьей гармоникам генерации, что существенно удорожает стоимость процесса, особенно на больших (более 1 кГц) частотах повторения импульсов.

В заявляемом способе уменьшение пороговой энергии образования дефектов достигается путем кардинального уменьшения длительности лазерного импульса (до 10-1000 пс) при пиковой мощности излучения, превышающей порог самофокусировки излучения в данной среде. Самофокусировка автоматически обеспечивает в области фокуса лазерного излучения плотность мощности W, превышающую пороговое значение W_пор объемного пробоя материала среды, что позволяет полностью устранить статистические пропуски в образовании дефектов и при этом снизить требования к модовому составу излучения лазера.

Способ позволяет в 10-1000 раз снизить пороговую энергию образования дефекта, примерно во столько же раз уменьшив его объем. Это приводит к многократному (в 5-20) увеличению разрешающей способности изображений. Снижение энергетики образования дефектов позволяет (при сохранении энергопотребления от сети) существенно повысить (в 10-1000 раз) частоту следования импульсов.

Способ реализуется следующим образом.

Образец оптически прозрачного (для глаза и для лазера, используемого для создания дефектов) материала с плоской полированной поверхностью освещается импульсным сфокусированным (сходящимся) лазерным пучком, направленным перпендикулярно к этой поверхности.

При этом используется лазер, генерирующий излучение пикосекундной (10-1000 пс) длительности при пиковой мощности Р, превышающей пороговую мощность Р_пор самофокусировки лазерного излучения в среде, определяемой выражением:

где λ - длина волны лазерного излучения, см, n₀ - показатель преломления среды, n₂ - коэффициент нелинейности показателя преломления среды, см²/Вт (величина пороговой мощности лежит в пределах 0,1-3 МВт в зависимости от длины волны лазерного излучения и оптических свойств материала), и плотности мощности W, превышающей пороговое значение W_пор объемного оптического пробоя материала среды (10⁶-10⁷ МВт/см³).

3-координатное устройство, управляемое от компьютера, последовательно от импульса к импульсу (или пачки импульсов) меняет относительное положение точки фокуса внутри образца в соответствии с данными подготовленного файла, содержащего координаты всех точек 2- или 3-мерного изображения.

Одновременно от импульса к импульсу в зависимости от яркости пикселя создаваемого изображения варьируется энергия импульса (соответственно размер образуемого дефекта). Этим достигается цветопередача (в серой шкале).

При создании трехмерных изображений, где, как правило, требуются дефекты максимально симметричной формы, близкой к сферической, пиковую мощность в импульсе устанавливают в пределах 1-1,1 Р_пор.

При создании 2-мерных и псевдотрехмерных (барельефов) изображений, где для увеличения контрастности требуются дефекты, вытянутые вдоль направления рассмотрения изображения (что, как правило, совпадает с направлением лазерного луча), пиковую мощность устанавливают в пределах 1,1-100 Р_пор.

Для создания дефектов желаемого диаметра d, см длительность лазерного импульса устанавливают исходя из выражения:

где ρ - плотность среды, г/см³; А_т - удельная теплоемкость материала среды, Дж/г·К; Т_пл - температура плавления материала среды, К; Т_к - температура среды, К. Для достижения высокого разрешения способа диаметр дефектов должен лежать в пределах 10-30 микрон (0,001-0,003 см).

Заявляемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Способ создания 3D изображений в оптическом стекле К8 с разрешающей способностью 800 dpi, или 31,5 точки/мм. Такое разрешение требует размера дефекта не более d=30 микрон, поскольку во избежание растрескивания стекла дефекты не должны перекрываться. Для создания изображений используем лазерную 3-координатную установку, включающую пикосекундный YAG-лазер, работающий в режиме синхронизации мод на второй гармонике (532 нм). Пиковую мощность лазерного импульсов, входящих в образец, устанавливаем на уровне, на 10% превышающем Р_пор=λ²/8·π·n₀·n₂, Вт, где λ=5.32·10^-5 см, n₀=1,55, n₂=3·10^-16 см²/Вт [4] (Р_пор=250 кВт). Соответственно пиковая мощность Р равна 275 кВт (250 кВт≤Р≤275 кВт). Включение эффекта самофокусировки (Р>Р_пор) автоматически приводит к выполнению условия образования дефекта, поскольку плотность мощности W из-за сужения диаметра луча резко возрастает и превосходит порог оптического пробоя материала W_пор. Длительность импульса определяем по (2): Т=d³·ρ·А_т·(Т_пл-Т_к)/Р_пор, с, где d=3·10^-3 см, ρ=3 г/см³, А_т=0,8 Дж/г·К, Т_пл=1300К, Т_к=300К. В итоге получаем Т=200 псек.

Пример 2.

То же самое, что и в п.1, но при использовании пикосекундного YAG-лазера, работающего в режиме синхронизации мод на основной гармонике (1064 нм). Пиковую мощность лазерного импульса следует установить на уровне 1,1 МВт, что на 10% превышает пороговую мощность самофокусировки излучения 1064 нм в оптическом стекле К8, равную Р_пор=1 МВт (формула 1).

Для получения разрешения 800 dpi, что соответствует размеру дефекта 30 микрон, длительность импульса должна составлять 50 псек (формула 2).

Пример 3.

Способ создания 2D цветных изображений в кварцевом стекле с разрешающей способностью 1000 dpi, или 40 точек/мм. Такое разрешение требует размера дефекта не более d=25 микрон. Для передачи цвета (в серой шкале) размеры дефектов варьируются в пределах 12.5-25 микрон (объем дефекта меняется в 8 раз ) в зависимости от яркости пикселя.

Для создания изображений используем лазерную 2-координатную установку, включающую пикосекундный YAG-лазер, работающий по схеме МОРА на второй гармонике (532 нм). В качестве задающего генератора (мастера осциллятора) в лазере используется 15 пс лазерный диод с быстрой модуляцией усиления коротким импульсом тока и слоем насыщающегося поглотителя, полученным при ионной имплантации [5], излучающий на длине волны 1064 нм, и регенерационный усилитель, построенный на кристалле Nd:YAG. Пороговая мощность самофокусировки для кварцевого стекла Р_пор=λ²/8·π·n₀·n₂=310 кВт, λ=5.32·10^-5 см, n₀=1,458, n₂=2.5·10^-16 см²/Вт [4]. Исходя из заданной длительности импульса 15 псек, по выражению (2): Т=d³·ρ·A_t·(Т_пл-Т_к)/Р, где d=1.2·10^-3 см, ρ=2.21 г/см³, А_т=0,9 Дж/г·К, Т_пл=1400К, Т_к=300К, определяем пиковую мощность Р, дающую дефект минимального размера в 12.5 микрон. Она равна 340 кВт.

Контролируемое изменение пиковой мощности импульсов от 340 кВт до 1.5 МВт (1,1 Р_пор≤Р≤100 Р_пор) приводит к модуляции размеров дефектов от 12 до 25 микрон, что обеспечивает качественную цветопередачу изображения в области самофокусировки (W>W_пор) с разрешением 1000 dpi.

Источники информации

1. С.А.Ахманов, А.П.Сухоруков, Р.В.Хохлов «Самофокусировка и дифракция света в нелинейной среде», УФН, 1967, т.93, в.1, 19-78.

2. В.Н.Луговой, А.М.Прохоров «Теория распространения мощного

лазерного излучения в нелинейной среде», УФН, 1973, т.111, в.2, 203-247.

3. В.И.Таланов "О самофокусировке электромагнитных волн в нелинейных средах, Известия ВУЗов, радиофизика, 1964, т.7, 564.

4. А.Н.Азаренков, Г.Б.Альтшулер, Н.Р.Белашенков, С.А.Козлов «Нелинейность показателя преломления лазерных твердотельных диэлектрических сред», Квантовая электроника, 1993, т.20, №8, 733-757.

5. E.L.Portnoi, G.B.Venus, A.A.Khazan, I.M.Gadjiev, A.Yu.Shmartcev, J. Frahm, I "Superhigh Power Picosecond Optical Pulses from Q-Switched Diode Laser", IEEE J. Topics Quantum Electron., Vol.3, no.2, pp.256-260 (1997).

1. Способ лазерного формирования изображений в оптически прозрачной твердой среде, включающий фокусирование импульсного лазерного излучения в заданной точке в объеме упомянутой среды, воздействие на нее упомянутым лазерным излучением пикосекундной длительности при пиковой мощности Р, превышающей пороговую мощность Р_пор самофокусировки упомянутого лазерного излучения в упомянутой среде, и плотности мощности W в области фокуса, превышающей пороговое значение W_пор объемного пробоя материала упомянутой среды, и перемещение упомянутого лазерного излучения в упомянутой среде по заданному закону, при этом пороговую мощность определяют из выражения

Р_пор=λ²/8·π·n₀·n₂, Вт,

где λ - длина волны лазерного излучения, см;

n₀ - показатель преломления среды;

n₂ - коэффициент нелинейности показателя преломления среды, см²/Вт.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие осуществляют упомянутым лазерным излучением с длительностью импульса 10-1000 пс.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие осуществляют упомянутым лазерным излучением с длительностью импульса, определяемой из выражения

T=d³·ρ·A_т·(T_пл-T_к)/Р_пор, с,

где d - диаметр дефекта, возникающего в точке объемного пробоя среды, см;

ρ - плотность среды, г/см³;

А_т - удельная теплоемкость материала среды, Дж/(г·К);

Т_пл - температура плавления материала среды, К;

Т_к - температура среды, К.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие осуществляют упомянутым лазерным излучением лазера, работающего в режиме синхронизации мод.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие осуществляют упомянутым лазерным излучением лазера, работающего по схеме задающий генератор - усилитель мощности с пикосекундным лазерным диодом в качестве задающего генератора.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие осуществляют на оптическое стекло упомянутым лазерным излучением Nd:YAG (или Nd:YLF) лазера, работающего на основной частоте, с пиковой мощностью Р, удовлетворяющей соотношению

1 МВт≤Р≤1,1 МВт.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие осуществляют на оптическое стекло упомянутым лазерным излучением Nd:YAG (или Nd:YLF) лазера, работающего на второй гармонике с пиковой мощностью Р, удовлетворяющей соотношению

250 кВт≤Р≤275 кВт.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие осуществляют на оптическое стекло упомянутым лазерным излучением Nd:YAG (или Nd:YLF) лазера, работающего на третьей гармонике, с пиковой мощностью Р, удовлетворяющей соотношению

110 кВт≤Р≤120 кВт.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие осуществляют упомянутым лазерным излучением с пиковой мощностью Р, удовлетворяющей соотношению

1,1 P_пор≤Р≤100 P_пор.