Лазерные технологии Формирование лазерно-индуцированных поверхностных периодических структур при различной поляризации лазерного излучения на поверхности нержавеющей стали
Научная новизна
Предложен метод создания идентификационных знаков в виде пятна с ЛИППС, формируемых в зависимости от различной эллиптичности поляризации лазерного излучения, которые возможно контролировать и идентифицировать по четырём характеристикам: период структур (Λ), количество ветвлений, прямолинейность структур (DLOA), параллельность структур (НПУР). Каждое формируемое пятно уникально, подобно отпечаткам пальца.
Методология и теоретические основы исследования
Для исследования, в качестве основного материала, была выбрана нержавеющая сталь AISI 304. Для формирования ЛИППС на стали использовалась коммерчески доступная лазерная установка “Минимаркер 2”, на базе иттербиевого волоконного импульсного лазера (длина волны = 1064 нм, длительность импульса τ = 4 – 200 нс, частота повторения импульсов f = 10 –2000 кГц, максимальная средняя мощность P = 20 Вт).
Полученные образцы исследовались с помощью оптического микроскопа (Zeiss Axio Imager A1m), атомно-силового сканирующего микроскопа Solver PRO-M (NT-MDT) и сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) (Zeiss Merlin). Для изучения спектров отражения поверхности нержавеющей стали был использован микроскоп - спектрофотометр МСФУ-К.
Расчёты характеристик ЛИППС были выполнены с помощью программных обеспечений Python и Gwyddion.
Положения, выносимые на защиту
1. Показано, что при увеличении плотности мощности наблюдается рост диаметра пятна, поскольку форма излучения является гаусианом. При недостаточной плотности мощности q = 2 105 Вт/см2 на поверхности стали AISI 304 структуры формируются разупорядоченными со слабо выраженными очертаниями, параметр прямолинейности дорожек DLOA = 25. При плотности мощности больше q = 2,85 105 Вт/см2 (при параметрах лазерного излучения: τ – 100 нс, F – 10 кГц, N – 50) в центре пятна начинают преобладать процессы плавления и абляции которые, при длительном воздействии, уничтожают структуры. Кроме этого, формируемые структуры по краям пятна трансформируются в псевдоупорядоченные, параметр прямолинейности DLOA = 27. При плотности мощности q = 2,45 105 Вт/см2 структуры формируются упорядоченными, DLOA = 5, равномерно заполненными по всей площади пятна.
2. Показано, что происходит разрушение и разупорядочение структур при воздействии частотой следования импульсов более F = 15 кГц (при параметрах лазерного излучения: τ – 100 нс, q – 2,45 105 Вт/см2, N – 50), DLOA = 25. При недостаточной частоте следования импульсов F = 5 кГц формирование структур происходит не по всей площади облучаемой зоны. Структуры, сформированные по краям, разупорядоченные, DLOA = 23. При частоте следования импульсов F = 10 кГц структуры формируются упорядоченными, DLOA = 7, равномерно заполненными по всей площади пятна. Размер пятен при разной частоте следования импульсов остаётся неизменным.
3. Показана возможность управления характеристиками ЛИППС при воздействии лазерного излучения с различной эллиптичностью поляризации лазерного излучения. Формирование дорожек структур происходит перпендикулярно длинной оси эллипса поляризации лазерного излучения. По мере уменьшения эллиптичности происходит уменьшение упорядоченности структур, ориентированных перпендикулярно длинной оси эллипса поляризации. При круговой поляризации (эллиптичность излучения равна 0) увеличивается количество пересечений структур (ветвлений), упорядоченность структур снижается, DLOA и НПУР максимальны и равны 58 град и 105 соответственно. При линейной поляризации (эллиптичность излучения равна 1) ветвлений нет или их количество мало, структуры выглядят упорядоченными, DLOA и НПУР минимальны и равны 10 град и 10 соответственно. При переходе эллиптичности лазерного излучения от 1 до 0,5 DLOA и НПУР изменяются незначительно.
Степень достоверности
Степень достоверности результатов для данной работы подтверждается использованием обоснованных и апробированных физико-математических методов, воспроизводимостью экспериментальных данных, согласованием теоретических расчетов с экспериментом и согласованием с результатами других авторов, подтвержденных на практике.
Апробация результатов
1. «Лазерные, плазменные исследования и технологии» ЛАПЛАЗ, 2021, Москва, Россия;
2. XI международная конференция по фотонике и информационной оптике, 2022, Москва, Россия;
3. Лазерные, плазменные исследования и технологии» ЛАПЛАЗ, 2022, Москва, Россия.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ГЛАВА 1. МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЛИППС И ИХ ВИДЫ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) 11
1.1 История появления и исследования ЛИППС.. 11
1.2 Механизмы формирования ЛИППС.. 12
1.2.1 Основные процессы, протекающие на поверхности твёрдого тела при воздействии импульсного лазерного излучения. 12
1.2.2 Формирование периодических ЛИППС.. 13
1.2.3 ЛИППС с высокой и низкой пространственной частотой. 17
1.3.1 Лазерное формирование цветного изображения за счет дифракции света. 19
1.3.2 Смачивание поверхности металлов. 23
1.3.3 Защитные знаки на основе ЛИППС.. 25
ГЛАВА 2. ФОРМИРОВАНИЕ ЛИППС НА ПОВЕРХНОСТИ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ AISI 304 С РАЗЛИЧНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.. 30
2.2 Формирование ЛИППС на поверхности стали. 35
2.3.1 Формирование ЛИППС без перекрытия лазерных импульсов. 36
2.3.2 Формирование ЛИППС с перекрытием лазерных импульсов. 41
ГЛАВА 3. ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ УПОРЯДОЧЕННОСТИ ЛИППС.. 47
3.1 Влияние эллиптичности поляризации лазерного излучения на формируемые структуры 48
3.2.3 Параметр прямолинейности дорожек DLOA.. 55
3.2.4 Параметр параллельности дорожек НПУР. 56
3.3 Примеры формирования рисунков с различной эллиптичностью поляризации. 57
1. Вакс Е., Миленький М., Сапрыкин Л. Практика прецизионной лазерной обработки. – Litres, 2017.
2. Veiko V. et al. Controlled oxide films formation by nanosecond laser pulses for color marking //Optics express. – 2014. – Т. 22. – №. 20. – С. 24342-24347. 3. Вейко В. П.,
3. Дышловенко С. С. Лазерное микроструктурирование поверхностей //Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. – 2001. – №. 4.
4. Wang S. et al. Bioinspired surfaces with superwettability: new insight on theory, design, and applications //Chemical reviews. – 2015. – Т. 115. – №. 16. – С. 8230- 8293.
5. Vorobyev A. Y., Guo C. Multifunctional surfaces produced by femtosecond laser pulses //Journal of Applied Physics. – 2015. – Т. 117. – №. 3. – С. 033103.
6. Rotella G. et al. Innovative high-speed femtosecond laser nano-patterning for improved adhesive bonding of Ti6Al4V titanium alloy //CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. – 2017. – Т. 18. – С. 101-106.
7. Bonse J. et al. Femtosecond laser-induced periodic surface structures on steel and titanium alloy for tribological applications //Applied physics A. – 2014. – Т. 117. – №. 1. – С. 103-110.
8. Dusser B. et al. Controlled nanostructrures formation by ultra fast laser pulses for color marking //Optics express. – 2010. – Т. 18. – №. 3. – С. 2913-2924.
9. Martínez-Calderon M. et al. Surface micro-and nano-texturing of stainless steel by femtosecond laser for the control of cell migration // Scientific reports. – 2016. – Т. 6. – С. 36296.
10. Birnbaum, M., "Semiconductor surface damage produced by ruby lasers," J. Appl. Phys. 36, 3688-3689 (1965).
11. Siegrist M., Kaech G., Kneubühl F. K. Formation of a periodic wave structure on the dry surface of a solid by TEA-CO2-laser pulses //Applied physics. – 1973. – Т. 2. – №. 1. – С. 45-46.
12. Jee Y., Becker M. F., Walser R. M. Laser-induced damage on single-crystal metal surfaces //JOSA B. – 1988. – Т. 5. – №. 3. – С. 648-659.
13. Temple P., Soileau M. Polarization charge model for laser-induced ripple patterns in dielectric materials //IEEE Journal of Quantum Electronics. – 1981. – Т. 17. – №. 10. – С. 2067-2072.
14. Макаров С. В. Нано- и микроструктурирование поверхности металлов и полупроводников в воздухе при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов. 2014. – 149 с.
15. О.Б. Ананьин, Ю.В. Афанасьев, Ю.А. Быковский, О.Н. Крохин. Лазерная плазма. Физика и применение – М.: МИФИ, 2003.
16. С.А. Ахманов, В.И. Емельянов, Н.И. Коротеев, В.Н. Семиногов. Воздействие мощного лазерного излучения на поверхность полупроводников и металлов: нелинейно-оптические эффекты и нелинейно-оптическая диагностика // УФН. – 1985. – Т. 147. – C. 675.
17. Н.И. Коротеев, И.Л. Шумай. Физика мощного лазерного излучения. – М.: Наука, 1991.
18. D. Bäuerle. Laser processing and chemistry. – Berlin: Springer, 2011.
19. Z. Guosheng, P.M. Fauchet, A.E. Siegman. Growth of spontaneous periodic surface structures on solids during laser illumination // Phys. Rev. B. – 1982. – Vol. 26. – P. 5366.
20. M. Martínez-Calderon, M. Manso-Silván, A. Rodríguez et al. Surface micro- and nano-texturing of stainless steel by femtosecond laser for the control of cell migration. Scientific 2016, Vol. 6, 36296
21. Bonse, J.; Höhm, S.; Kirner, S.V.; Rosenfeld, A.; Krüger, J. Laser-induced periodic surface structures—A scientific evergreen. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2017, 23, 9000615.
22. Ahmmed, K.M.T.; Grambow, C.; Kietzig, A.-M. Fabrication of micro/nano structures on metals by femtosecond laser micromachining. Micromachines 2014, 5, 1219.
23. A.Y. Vorobyev, C. Guo. Colorizing metals with femtosecond laser pulses // Appl. Phys. Lett. – 2008. – Vol. 92. – P. 041914.
24. B. Dusser, S. Sagan, H. Soder, N. Faure, J.P. Colombier, M. Jourlin, E. Audouard. Controlled nanostructrures formation by ultrafast laser pulses for color marking // Opt. Express. – 2010. – Vol. 18. – P. 2913.
25. Кричевский Г. Е. Структурная окраска //Химия и жизнь–XXI век. – 2010. – №. 11. – С. 13-15.
26. Vorobyev A. Y., Guo C. Spectral and polarization responses of femtosecond laserinduced periodic surface structures on metals //Journal of Applied Physics. – 2008. – Т. 103. – №. 4. – С. 043513.
27. Li G. et al. Femtosecond laser color marking stainless steel surface with different wavelengths //Applied Physics A. – 2015. – Т. 118. – №. 4. – С. 1189-1196.
28. Зубченко А. С. Марочник сталей и сплавов. – Общество с ограниченной ответственностью Научно-техническое издательство Машиностроение, 2011.
29. Минимаркер Home page [Электронный ресурс] / Минимаркер – Electronic data. – Режим доступа: http://www.minimarker.ru /, свободный. — Загл. с экрана. — Яз. рус. (дата обращения: 02.05.2022)
30. Boinovich L. B., Emelyanenko A. M., Hydrophobic materials and coatings: principles of design, properties and applications. Russian Chemical Reviews, 2008, vol. 77, no. 7, p. 583-600
31. Martínez-Calderon, et al. "Surface micro-and nano-texturing of stainless steel by femtosecond laser for the control of cell migration." Scientific reports 6.1 (2016).
32. Yeh S. L. L. Identifying a dot-matrix hologram by the position-error curves of its grating dots //Optical Engineering. – 2007. – Т. 46. – №. 2. – С. 025801.
Gräf, Stephan, et al. "Mechano-responsive colour change of laser-induced periodic surface structures." Applied Surface Science 471 (2019)
