Obrada materijala femtosekundnim laserom - od bu šenja do kontrolisanih šara

1. Bojan Radak, Biljana Gaković, Milan Trtica Institut za nuklearne nauke VINČA Obradamaterijalafemtosekundnimlaserom- odbušenja do kontrolisanih šara

2. Obrada materijala laserom • Micromachining • Bušenje, sečenje, varenje, markiranje • Obrada površina (...šaranje) • Modifikovanje osobina površine (kaljenje) • Čišćenje i dekontaminacija • Sterilizacija

3. KARAKTERISTIKE DEJSTVA fs LASERSKOG IMPULSA • Impulsi su toliko kratki, da se završe pre nego što bilo kakvi relaksacioni procesi otpočnu. • Visoki intenziteti koji mogu da izazovu nelinearnu apsorpciju.

4. KRATKI IMPULSI Impulsi su toliko kratki, da se završe pre nego što bilo kakvi relaksacioni procesi otpočnu. 200 fs LASER --- elektron 1 ps elektron --- elektron Energija lasera se apsorbuje tako da se zagreju samo elektroni, dok joni rešetke ostaju hladni. 10 ps elektron --- rešetka 100 ps – 100 ns rešetka --- rešetka

5. VISOKI INTENZITET > 1012 W/cm2 I pri malim energijama impulsa, dostižu se intenziteti koji mogu da pokrenu nelinearne mehanizme apsorpcije. Berov zakon ne važi, a može da dođe i do apsorpcije u materijalima koji tu talasnu dužinu inače ne apsorbuju.

6. Trodimenzionalnograviranje

7. ABLACIJA (OŠTEĆENJE) Visok intenzitet Mala energija  “čista” ablacija 200 fs LASER --- elektron 1 ps elektron --- elektron 10 ps elektron --- rešetka 100 ps – 100 ns rešetka --- rešetka

8. Čista ablacija(bez kolateralne štete) Elektroni su “pregrejani” Oni su odgovorni za ablaciju: stvaraju plazmu i vrše pritisak na rešetku... ... razaraju je.

9. Ablacija sa kolateralnom štetom Elektroni NISU pregrejani. Predaju energiju rešetki, pa ona vrši ablaciju. Kolateralna šteta od: topljenja, isparavanja, hidrodinamičkih efekata

10. Prag oštećenjaFth Femtosekundni: Fth = fluens praga oštećenja ρ= gustina Ω= spec. toplota isparavanja α= koeficijent apsorpcije Ne zavisi od dužine impulsa! Nanosekundni: D= koeficijent difuzije τ= vreme trajanja impulsa

11. Otvori manji od širine snopa

12. Kontrolisano bušenje slojeva Al2O3 TiAlN čelik 200 fs; 1,7 μ J

13. Profilometrijska analiza 200 fs, 10 μJ

14. Oštar prag podubini 1,7 μJ 1,2 μJ

15. Bušenje visokom repeticijom • .......

16. Šaranje (patterning) Paralelne površinske strukture (PSS, ripples)

17. Uzrok formiranja ? Talasi su normalni na vektor polarizacije. Teorija o interakciji rasejanih zraka sa upadnim laserom Period d proporcionalan je talasnoj dužini lasera λ: η = efektivni indeks prelamanja θ= upadni ugao snopa

18. Sub-λ periode Laser: 40 ps Teorija: interakcija površinskih plazmona sa upadnim laserom. Sa većim brojem impulsa perioda se smanjuje.

19. s E Skeniranje laserom Steel OCR 60 - AISI 440B (Cr) and scan with 200 fs pulses at 755nm, 2 kHz Scan speed s = 0.05, 0.1, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 and 1 cm/s (denoted 1-7) Energy per pulse Ep=0.9, 1.25, 1.75, 2.7, 3.6 µJ Fluence: 0.84, 0.116, 0.163, 0.251, 0.335 J/cm2 (denoted A,B,C,D, E) Average power density 0.5  I  36.7 W/cm2 Spot diameter = 37 m (1/e2)

20. Steel AISI440B (Cr) and scan with 200 fs pulses at 755nm, 2 kHz

21. Steel AISI440B (Cr) and scan with 200 fs pulses at 755nm, 2 kHz

22. Periodičnost u funkciji energije i broja impulsa

23. AFMslike slojevite strukture (Al/Ti)x8/Si posle 200 laserskih impulsa od 150 ps.

24. Upotreba za holografsko markiranje ?

25. Tim dr Suzana Petrović dr Jelena Stašić dr Davor Peruško mr Dubravka Milovanović dr Peter Panjan et al. (SLO) dr Ion Mihailescu et al. (RO) dr Dmitri Batani et al. (IT) dr Aleksandar Krmpot dr Brana Jelenković dr Aleksandar Kovačević ...