ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ ДЛЯ 3D-МАРКИРОВКИ В ОБЪЕМЕ ПРОЗРАЧНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
12 С. В. Гагарский, П. А. Гнатюк, А. Н. Сергеев, В. Ю. Храмов
УДК 621.373.826
С. В. ГАГАРСКИЙ, П. А. ГНАТЮК, А. Н. СЕРГЕЕВ, В. Ю. ХРАМОВ
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ ДЛЯ 3D-МАРКИРОВКИ В ОБЪЕМЕ ПРОЗРАЧНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Определены параметры лазерных импульсов килогерцового диапазона, обеспечивающих воспроизводимую запись информации в результате создания локальных лазерно-индуцированных изменений оптических свойств в объеме различных прозрачных материалов. Приведены данные по разработанным твердотельным лазерам с диодной накачкой, предназначенных для применения в микротехнологиях и научных исследованиях.
Ключевые слова: твердотельные лазеры с диодной накачкой, лазерная маркировка, объемная маркировка, лазерно-индуцированный оптический пробой, лазерно-индуцированные люминесцентные центры.
Первые попытки использования лазерно-индуцированного объемного пробоя [1, 2] для создания декоративных изделий и маркировки под поверхностью стекла были проведены практически сразу после появления лазеров с модулированной добротностью [3]. Значительный прогресс в развитии промышленных установок для внутриобъемной маркировки и гравировки прозрачных диэлектриков достигнут лишь после появления доступных килогерцовых твердотельных лазеров с диодной накачкой, обеспечивающих высокую скорость обработки и долговременный ресурс работы гравировальных установок.
В современных технологических комплексах символы, рисунки и изображения наносятся путем сканирования сфокусированного лазерного пятна в выбранной плоскости, расположенной в объеме заготовки. В результате воздействия нано-, пико- или фемтосекундных лазерных импульсов в объеме материала происходят необратимые изменения, связанные либо с нарушением макроструктуры материала (оптический пробой), либо с локальными изменениями вещественной или мнимой части показателя преломления материала, либо с созданием лазерно-индуцированных центров люминесценции, образующихся в результате изменения химической структуры отдельных молекул, внедренных в матрицу заготовки [4—6]. Высокая скорость и точность позиционирования перетяжки лазерного пучка в пределах рабочего поля обеспечивается, как правило, прецизионным двухосевым гальваносканером. Увеличение поперечных размеров создаваемого образа достигается относительным перемещением прозрачной заготовки в XY-направлении с последующим перекрытием полей сканирования. Последовательная смена слоев, в которых наносится маркировка, осуществляется перемещением плоскости фокусировки лазерного пучка с помощью линейных трансляторов, управляемых шаговыми или пьезоэлектрическими двигателями. Минимально допустимые расстояния между соседними слоями и пикселами в одном слое ограничены нежелательным слиянием соседних точек маркировки в результате механических или температурных воздействий и определяются как параметрами сфокусированного пучка, так и физической природой вносимых в материал изменений структуры, приводящих к появлению внутренних напряжений в матрице [7], значение которых, в свою очередь, зависит от технологических параметров процесса лазерной обработки. Допустимые размеры отдельного пиксела варьируются от десятков микрометров при образовании микроповреждений, возникающих в результате оптического пробоя диэлектриков, до десятков нанометров при записи светоиндуцированных фазовых неоднородностей, центров окраски или центров люминесценции.
Требования к лазерным источникам, предназначенным для гравировки в объеме прозрачных диэлектриков, существенно отличаются от требований к лазерам, используемым для поверхностной гравировки материалов. Во-первых, пороговые значения плотности световой
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
Твердотельные лазеры с диодной накачкой
13
энергии, необходимой для разрушения объема диэлектрика, как правило, выше порогов повреждения поверхности. При использовании наиболее широко распространенных неодимовых лазеров и стандартных гальваносканеров с входной апертурой 12—14 мм и фокусным
расстоянием объектива 100 мм, обеспечивающих рабочее поле 60×60 мм, пороговая энергия лазерного импульса длительностью 5—10 нс и с коэффициентом модуляции, вызванной частичной синхронизацией мод, составляет величину порядка 0,7 мДж на длине волны
λg=1,06 мкм, 0,4 мДж при λg=0,532 мкм и 80 мкДж при λg=355 нм при условии, что расходимость лазерного пучка близка к дифракционной. Во-вторых, по экономическим соображениям (относительно ресурса систем диодной накачки и затрат на систему охлаждения) в промышленных наносекундных системах обычно используется импульсный режим накачки с прерыванием на время перемещения между раздельными фрагментами записи или смене образцов. Это приводит к необходимости использования дополнительных систем стабилизации, обеспечивающих воспроизводимость пространственных и энергетических параметров излучения от импульса к импульсу вне зависимости от интервала прерывания процесса записи информации. Кроме того, в ряде случаев для реализации полутоновых изображений, а также для компенсации оптических потерь в объеме материала требуется динамическое управление энергией импульсов.
Необходимость учета указанных требований привела к разработке твердотельных лазеров на основе неодимсодержащих кристаллов серии VLC3 с импульсной продольной лазерной накачкой, электрооптической модуляцией добротности и возможностью динамического управления энергией в каждом импульсе с частотами повторения до 5 кГц. Разработка осуществлена сотрудниками кафедры лазерной техники и биомедицинской оптики и Лазерного центра НИУ ИТМО совместно с компанией “Vitro Laser” (Германия).
Оптическая схема и внешний вид лазерного излучателя VLC3.4V-G приведены на рис. 1, а, б соответственно. Продольная накачка активного элемента (АЭ) 4 осуществляется от импульсного диодного модуля с волоконным выходом. В резонаторе излучателя расположены глухое 1 и выходное 2 зеркала, призма Дове 5 с нанесенным поляризатором, два оборачивающих зеркала 3 или призма БР180 и электрооптический затвор 6 на основе кристалла BBO. В зависимости от модели преобразование частоты излучения обеспечивается кристаллами КTP или LBO 8 после коррекции состояния поляризации фазовой пластиной 7. Далее
пучок разворачивается на 180° дихроичными зеркалами 9, 10 и попадает в выходной телескоп с выбранным увеличением.
а) Lr
б)
5 4 1 Объектив Оптическое волокно
36
2 Выходной телескоп
78
9
10
Рис. 1
Существенной особенностью разработанного лазерного излучателя является наличие систем, обеспечивающих стабилизацию температуры эмиттера диода накачки и тепловой линзы в активном элементе, а также температуры рабочей области нелинейных преобразователей частоты излучения вне зависимости от перерыва между соседними рабочими импульсами.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
14 С. В. Гагарский, П. А. Гнатюк, А. Н. Сергеев, В. Ю. Храмов
В основном этот результат достигается управлением формой тока подставки (Ibias) и задержкой момента включения электрооптического затвора относительно момента достижения максимального усиления активного элемента (∆TQS).
Диаграмма, поясняющая принцип работы систем стабилизации и управления параметрами выходных импульсов лазера в режиме 3D-маркировки представлена на рис. 2.
Координата X
(Z=0)
(Z=1)
Управляющий синхроимпульс
Ток Ibias через диодный лазер
Выходной синхроимпульс
Управляющее напряжение задержки
Синхроимпульс для блока управления затвором
Коэффициент усиления в АЭ
Порог генерации
Энергия лазерного импульса
Порог гравировки
X Z
Изображение
Разогрев
Задержка
Время
(Tw) ∆TQS Рис. 2
Управляющий синхроимпульс подается на блок питания диодного модуля в момент дости-
жения зеркалами сканера заданного положения. Задержка синхроимпульса открывания электро-
оптического затвора относительно заднего фронта импульса накачки задается текущим значением
управляющего напряжения. Она определяет уровень энергии лазерного импульса, доставленного
в заданную точку образца. В простейшем случае значение управляющего напряжения, изменяю-
щего ∆TQS, функционально связано с координатами точки маркировки в образце: ∆TQS=f(X,Y,Z), и компенсирует изменение поперечных размеров сфокусированного лазерного пучка, а также поте-
ри излучения на поглощение и рассеяние в зависимости от координат наносимой точки. Для бо-
лее сложных случаев компенсации фазовых искажений в объеме образца и для нанесения полуто-
новых изображений значения ∆TQS могут задаваться компьютерной программой после обработки исходного файла изображения и введения информации об оптической однородности образца. Ко-
личество предварительных импульсов разогрева в течение времени Tw и время удержания тока подставки Ibias вырабатываются программой и зависят от временного интервала между нанесением последующих точек маркировки.
Общее управление разработанными для излучателей этой серии блоком питания диод-
ных лазерных модулей LDMPS-100 [8], драйвером управления затвором HVSw6 [9] и лазер-
ным бортовым контроллером LBC-4 осуществляется компьютерной программой. Программа
обеспечивает доступ к изменению параметров накачки, температуры элементов, энергии им-
пульсов генерации на лазерной частоте и частотах гармоник, а также индикацию состояния
компонентов излучателя.
Использование систем стабилизации и динамического управления энергией в разработан-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
Твердотельные лазеры с диодной накачкой
15
ном лазерном источнике позволило значительно расширить инструментальные возможности при маркировке оптической продукции и создании декоративных изделий, а также при параметрической записи цифровой информации [5, 10—12]. Основные технические характеристики лазерных излучателей серии VLC3.4 (модификация 4 для серии VLC3) приведены в таблице.
Характеристика
Активный элемент Параметры импульса накачки:
длина волны, нм максимальная энергия, мДж длительность импульса, мкс
λg, нм Максимальная энергия в импульсе Egmax, мДж, более Максимальная частота повторения импульсов, кГц Длительность импульсов, нс Качество выходного пучка M 2, не хуже Нестабильность энергии импульсов в течение 8 ч непрерывной работы RMS, %, не хуже Максимальная нестабильность энергии от импульса к импульсу, %, не хуже Диапазон регулировки энергии отдельного импульса генерации внешним напряжением Увеличение выходного телескопа излучателя Г× Диаметр выходного пучка D, мм
Расходимость излучения Θ, мрад Габариты излучателя, мм
Вес излучателя, кг Рабочий температурный диапазон, …ºС
VLC3.4G-IR VLC3.4G-V Nd:YAG
1064
807 9
180
532
1,8 0,8
1,3 1,3 8 7,6
1,5 1,5
1,6 2,2 57
1—14 0,9⋅Г×
1—12 0,7⋅Г×
VLC3.4V-IR VLC3.4V-G Nd:YVO3
1064
807 5
105
532
1,3 0,6
55 5 4,2
1,6 1,6
1,6 2,2
47
(0,01…1) Egmax
1—14 0,8⋅Г× M2λg /D 166×114×270
4,5
8—12 0,65⋅Г×
15—30
VLC3.4V-UV
355 0,4 5 3,8 1,6
2,2 7
10 0,55⋅Г×
Лазеры серии VLC3 используются в составе технологических комплексов типа VITROLUX-C,-UC,-MC, производимых компанией “Vitro Laser”. Примеры гравировальных комплексов c использованием излучателей серии VLC3 приведены на рис. 3.
VITROLUX-2H
VITRO MC-1
Рис. 3
Минимальное расстояние между соседними пикселами в объеме коммерческого стекла
марки ВК7, достигаемое в комплексах, оснащенных ультрафиолетовыми лазерами VLC3.4V-UV
c использованием объектива с фокусным расстоянием F=56 мм, составляет 12—14 мкм.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
16 С. В. Гагарский, П. А. Гнатюк, А. Н. Сергеев, В. Ю. Храмов
Для увеличения плотности записи информации в объеме прозрачных изделий с толщиной стенок менее 1 мм без повреждения внешних оптических поверхностей разработаны излучатели на основе микрочип-лазеров с пассивной модуляцией добротности. Лазеры серии VLC5 на основе композитных элементов Nd3+:YAG—Cr4+:YAG обеспечивают генерацию отдельных субнаносекундных импульсов на длине волны третьей гармоники неодимсодержащих кристаллов (спектральный диапазон генерации в области 355 нм) с энергией до 80 мкДж либо генерацию пачек импульсов (в количестве до 4), предназначенных для нанесения матричных кодов в изделиях. Синхронизация положения перетяжки сфокусированного пучка в изделии, задаваемого текущими углами зеркал гальваносканера и моментом генерации субнаносекундного импульса, обеспечивается формой импульса накачки, в профиле которого присутствуют дополнительные субимпульсы длительностью 2—4 мкс, достаточные для превышения порога генерации моноимпульса в режиме пассивной модуляции добротности. В результате сокращения длительности импульсов и улучшения качества лазерного пучка (параметр M 2, характерный для излучателей этого типа, составляет 1,15) минимальное допустимое расстояние между соседними пикселами записи в условиях, описанных для излучателя VLC3.4V-UV, сократилось до 8 мкм.
Примеры использования в различных областях рассмотренных лазерных источников приведены на рис. 4, 5: рис. 4, а — результат лазерной гравировки в объеме стекла марки ВК7; рис. 4, б — нанесение матричного кода в стенке контейнера для лекарств (толщина стенки 1 мм, появление микротрещин на поверхностях не допускается); рис. 5, а — тестовый скан для определения лучевой прочности и порога двухфотонной записи люминесцирующих центров в хромонах [6], внедренных в полимерную матрицу: точка 1 — присутствует оптический пробой матрицы, точка 2 — люминесцентная метка без пробоя; рис. 5, б — зависимость интенсивности люминесценции Plum от радиальной координаты dr вдоль направления 3 (см. а), энергия наносекундного лазерного импульса на длине волны записи 532 нм уменьшается от периферии к центру по заданному закону.
а) а)
1
3 б)
2
б) Plum
0,5
100 мкм
0 175 350 525 dr, мкм
Рис. 4
Рис. 5
Результатом проведенных работ, описанных в данной статье, стало создание промыш-
ленных твердотельных лазеров, предназначенных для использования в микротехнологиях,
медицине и научных исследованиях. Лазеры серии VLC3 обеспечивают генерацию наносе-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
Твердотельные лазеры с диодной накачкой
17
кундных импульсов миллиджоульного уровня энергии с килогерцовой частотой повторения в одномодовом режиме, а лазеры серии VLC5 генерируют одномодовые одночастотные субнаносекундные импульсы с энергией порядка сотен микроджоулей и обеспечивают дискретную запись информации в объеме прозрачных материалов с повышенной плотностью.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Glass A. J., Guenther A. H. Damage in laser glass-review — A status report // Applied Optics. 1973. Vol. 12, Iss. 4. P. 637—649.
2. Маненков А. А., Прохоров А. М. Лазерное разрушение прозрачных тел // Успехи физ. наук. 1986. Т. 148, вып 1. С. 5—38.
3. Пат. 321422 СССР. Метод изготовления декоративных изделий / В. В. Агаджанов, В. И. Гостев, В. В. Груздев, Л. А. Карпоносов, В. И. Лавров // Б.И. 1971. № 35.
4. Troitski I. Laser-induced image technology (yesterday, today, and tomorrow) // Proc. of SPIE. 2005. Vol. 5664. P. 293—301.
5. Gnatyuk V. A., Kanev K. К., Gagarsky S. V. Features of transparent material marking with nano- and subnanosecond laser pulses // J. of Advanced Research in Physics. 2011. Vol. 2, Iss. 2. P. 1—5.
6. Barachevsky V. A., Krayushkin M. M., Kyiko V. V., Grebennikov E. P. Light-sensitive organic recording media for 3D optical memory // Phys. Status Solidi C 8. 2011. N 9. P. 2841—2845.
7. Морозов Н. Ф., Зимин Б. А., Семенов Б. Н., Судьенков Ю. В., Баранов Г. А., Беляев А. А., Цветков Г. В. Исследование динамической прочности объема кварцевого стекла методом оптического пробоя // Письма в ЖТФ. 2004. Т. 30, № 6. С. 38—44.
8. Тогатов В. В., Гагарский С. B., Гнатюк П. А., Черевко Ю. И. Импульсный блок питания лазерных диодных модулей для накачки твердотельных лазеров // Приборы и техника эксперимента. 2007. № 2. C. 158—159.
9. Тогатов В. В., Гагарский С. B., Гнатюк П. А., Терновский Д. С. Высоковольтный импульсный наносекундный модулятор // Там же. 2007. № 6. C. 134—135.
10. Гагарский С. В., Ермолаев В. С., Сергеев А. Н., Пузык М. В. Исследование лучевой прочности диэлектрических покрытий, нанесенных на оптическую поверхность // Изв. вузов. Приборостроение. 2012. Т. 55, № 7. С. 80—84.
11. www.vitro.de,www.looxis.com
12. Ayt A., Kiyko V., Gagarsky S., Barachevsky V., Kraushkin M., Iglev H. An investigation of two-photon photochronism in thin-photochromic films // Abstracts of Phenics Intern. Network Simp., Nantes, France. 2012.
Сергей Валерьевич Гагарский Петр Анастасьевич Гнатюк Андрей Николаевич Сергеев Валерий Юрьевич Храмов
Сведения об авторах — канд. физ.-мат. наук; Санкт-Петербургский национальный исследова-
тельский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; E-mail: s.gagarsky@mail.ru — Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; инженер; E-mail: gnatyuk@mail.ru — аспирант; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; E-mail: mg_phooenix@yahoo.com — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; заведующий кафедрой; E-mail: khramov@grv.ifmo.ru
Рекомендована кафедрой лазерной техники и биомедицинской оптики
Поступила в редакцию 26.04.13 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
УДК 621.373.826
С. В. ГАГАРСКИЙ, П. А. ГНАТЮК, А. Н. СЕРГЕЕВ, В. Ю. ХРАМОВ
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ ДЛЯ 3D-МАРКИРОВКИ В ОБЪЕМЕ ПРОЗРАЧНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Определены параметры лазерных импульсов килогерцового диапазона, обеспечивающих воспроизводимую запись информации в результате создания локальных лазерно-индуцированных изменений оптических свойств в объеме различных прозрачных материалов. Приведены данные по разработанным твердотельным лазерам с диодной накачкой, предназначенных для применения в микротехнологиях и научных исследованиях.
Ключевые слова: твердотельные лазеры с диодной накачкой, лазерная маркировка, объемная маркировка, лазерно-индуцированный оптический пробой, лазерно-индуцированные люминесцентные центры.
Первые попытки использования лазерно-индуцированного объемного пробоя [1, 2] для создания декоративных изделий и маркировки под поверхностью стекла были проведены практически сразу после появления лазеров с модулированной добротностью [3]. Значительный прогресс в развитии промышленных установок для внутриобъемной маркировки и гравировки прозрачных диэлектриков достигнут лишь после появления доступных килогерцовых твердотельных лазеров с диодной накачкой, обеспечивающих высокую скорость обработки и долговременный ресурс работы гравировальных установок.
В современных технологических комплексах символы, рисунки и изображения наносятся путем сканирования сфокусированного лазерного пятна в выбранной плоскости, расположенной в объеме заготовки. В результате воздействия нано-, пико- или фемтосекундных лазерных импульсов в объеме материала происходят необратимые изменения, связанные либо с нарушением макроструктуры материала (оптический пробой), либо с локальными изменениями вещественной или мнимой части показателя преломления материала, либо с созданием лазерно-индуцированных центров люминесценции, образующихся в результате изменения химической структуры отдельных молекул, внедренных в матрицу заготовки [4—6]. Высокая скорость и точность позиционирования перетяжки лазерного пучка в пределах рабочего поля обеспечивается, как правило, прецизионным двухосевым гальваносканером. Увеличение поперечных размеров создаваемого образа достигается относительным перемещением прозрачной заготовки в XY-направлении с последующим перекрытием полей сканирования. Последовательная смена слоев, в которых наносится маркировка, осуществляется перемещением плоскости фокусировки лазерного пучка с помощью линейных трансляторов, управляемых шаговыми или пьезоэлектрическими двигателями. Минимально допустимые расстояния между соседними слоями и пикселами в одном слое ограничены нежелательным слиянием соседних точек маркировки в результате механических или температурных воздействий и определяются как параметрами сфокусированного пучка, так и физической природой вносимых в материал изменений структуры, приводящих к появлению внутренних напряжений в матрице [7], значение которых, в свою очередь, зависит от технологических параметров процесса лазерной обработки. Допустимые размеры отдельного пиксела варьируются от десятков микрометров при образовании микроповреждений, возникающих в результате оптического пробоя диэлектриков, до десятков нанометров при записи светоиндуцированных фазовых неоднородностей, центров окраски или центров люминесценции.
Требования к лазерным источникам, предназначенным для гравировки в объеме прозрачных диэлектриков, существенно отличаются от требований к лазерам, используемым для поверхностной гравировки материалов. Во-первых, пороговые значения плотности световой
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
Твердотельные лазеры с диодной накачкой
13
энергии, необходимой для разрушения объема диэлектрика, как правило, выше порогов повреждения поверхности. При использовании наиболее широко распространенных неодимовых лазеров и стандартных гальваносканеров с входной апертурой 12—14 мм и фокусным
расстоянием объектива 100 мм, обеспечивающих рабочее поле 60×60 мм, пороговая энергия лазерного импульса длительностью 5—10 нс и с коэффициентом модуляции, вызванной частичной синхронизацией мод, составляет величину порядка 0,7 мДж на длине волны
λg=1,06 мкм, 0,4 мДж при λg=0,532 мкм и 80 мкДж при λg=355 нм при условии, что расходимость лазерного пучка близка к дифракционной. Во-вторых, по экономическим соображениям (относительно ресурса систем диодной накачки и затрат на систему охлаждения) в промышленных наносекундных системах обычно используется импульсный режим накачки с прерыванием на время перемещения между раздельными фрагментами записи или смене образцов. Это приводит к необходимости использования дополнительных систем стабилизации, обеспечивающих воспроизводимость пространственных и энергетических параметров излучения от импульса к импульсу вне зависимости от интервала прерывания процесса записи информации. Кроме того, в ряде случаев для реализации полутоновых изображений, а также для компенсации оптических потерь в объеме материала требуется динамическое управление энергией импульсов.
Необходимость учета указанных требований привела к разработке твердотельных лазеров на основе неодимсодержащих кристаллов серии VLC3 с импульсной продольной лазерной накачкой, электрооптической модуляцией добротности и возможностью динамического управления энергией в каждом импульсе с частотами повторения до 5 кГц. Разработка осуществлена сотрудниками кафедры лазерной техники и биомедицинской оптики и Лазерного центра НИУ ИТМО совместно с компанией “Vitro Laser” (Германия).
Оптическая схема и внешний вид лазерного излучателя VLC3.4V-G приведены на рис. 1, а, б соответственно. Продольная накачка активного элемента (АЭ) 4 осуществляется от импульсного диодного модуля с волоконным выходом. В резонаторе излучателя расположены глухое 1 и выходное 2 зеркала, призма Дове 5 с нанесенным поляризатором, два оборачивающих зеркала 3 или призма БР180 и электрооптический затвор 6 на основе кристалла BBO. В зависимости от модели преобразование частоты излучения обеспечивается кристаллами КTP или LBO 8 после коррекции состояния поляризации фазовой пластиной 7. Далее
пучок разворачивается на 180° дихроичными зеркалами 9, 10 и попадает в выходной телескоп с выбранным увеличением.
а) Lr
б)
5 4 1 Объектив Оптическое волокно
36
2 Выходной телескоп
78
9
10
Рис. 1
Существенной особенностью разработанного лазерного излучателя является наличие систем, обеспечивающих стабилизацию температуры эмиттера диода накачки и тепловой линзы в активном элементе, а также температуры рабочей области нелинейных преобразователей частоты излучения вне зависимости от перерыва между соседними рабочими импульсами.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
14 С. В. Гагарский, П. А. Гнатюк, А. Н. Сергеев, В. Ю. Храмов
В основном этот результат достигается управлением формой тока подставки (Ibias) и задержкой момента включения электрооптического затвора относительно момента достижения максимального усиления активного элемента (∆TQS).
Диаграмма, поясняющая принцип работы систем стабилизации и управления параметрами выходных импульсов лазера в режиме 3D-маркировки представлена на рис. 2.
Координата X
(Z=0)
(Z=1)
Управляющий синхроимпульс
Ток Ibias через диодный лазер
Выходной синхроимпульс
Управляющее напряжение задержки
Синхроимпульс для блока управления затвором
Коэффициент усиления в АЭ
Порог генерации
Энергия лазерного импульса
Порог гравировки
X Z
Изображение
Разогрев
Задержка
Время
(Tw) ∆TQS Рис. 2
Управляющий синхроимпульс подается на блок питания диодного модуля в момент дости-
жения зеркалами сканера заданного положения. Задержка синхроимпульса открывания электро-
оптического затвора относительно заднего фронта импульса накачки задается текущим значением
управляющего напряжения. Она определяет уровень энергии лазерного импульса, доставленного
в заданную точку образца. В простейшем случае значение управляющего напряжения, изменяю-
щего ∆TQS, функционально связано с координатами точки маркировки в образце: ∆TQS=f(X,Y,Z), и компенсирует изменение поперечных размеров сфокусированного лазерного пучка, а также поте-
ри излучения на поглощение и рассеяние в зависимости от координат наносимой точки. Для бо-
лее сложных случаев компенсации фазовых искажений в объеме образца и для нанесения полуто-
новых изображений значения ∆TQS могут задаваться компьютерной программой после обработки исходного файла изображения и введения информации об оптической однородности образца. Ко-
личество предварительных импульсов разогрева в течение времени Tw и время удержания тока подставки Ibias вырабатываются программой и зависят от временного интервала между нанесением последующих точек маркировки.
Общее управление разработанными для излучателей этой серии блоком питания диод-
ных лазерных модулей LDMPS-100 [8], драйвером управления затвором HVSw6 [9] и лазер-
ным бортовым контроллером LBC-4 осуществляется компьютерной программой. Программа
обеспечивает доступ к изменению параметров накачки, температуры элементов, энергии им-
пульсов генерации на лазерной частоте и частотах гармоник, а также индикацию состояния
компонентов излучателя.
Использование систем стабилизации и динамического управления энергией в разработан-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
Твердотельные лазеры с диодной накачкой
15
ном лазерном источнике позволило значительно расширить инструментальные возможности при маркировке оптической продукции и создании декоративных изделий, а также при параметрической записи цифровой информации [5, 10—12]. Основные технические характеристики лазерных излучателей серии VLC3.4 (модификация 4 для серии VLC3) приведены в таблице.
Характеристика
Активный элемент Параметры импульса накачки:
длина волны, нм максимальная энергия, мДж длительность импульса, мкс
λg, нм Максимальная энергия в импульсе Egmax, мДж, более Максимальная частота повторения импульсов, кГц Длительность импульсов, нс Качество выходного пучка M 2, не хуже Нестабильность энергии импульсов в течение 8 ч непрерывной работы RMS, %, не хуже Максимальная нестабильность энергии от импульса к импульсу, %, не хуже Диапазон регулировки энергии отдельного импульса генерации внешним напряжением Увеличение выходного телескопа излучателя Г× Диаметр выходного пучка D, мм
Расходимость излучения Θ, мрад Габариты излучателя, мм
Вес излучателя, кг Рабочий температурный диапазон, …ºС
VLC3.4G-IR VLC3.4G-V Nd:YAG
1064
807 9
180
532
1,8 0,8
1,3 1,3 8 7,6
1,5 1,5
1,6 2,2 57
1—14 0,9⋅Г×
1—12 0,7⋅Г×
VLC3.4V-IR VLC3.4V-G Nd:YVO3
1064
807 5
105
532
1,3 0,6
55 5 4,2
1,6 1,6
1,6 2,2
47
(0,01…1) Egmax
1—14 0,8⋅Г× M2λg /D 166×114×270
4,5
8—12 0,65⋅Г×
15—30
VLC3.4V-UV
355 0,4 5 3,8 1,6
2,2 7
10 0,55⋅Г×
Лазеры серии VLC3 используются в составе технологических комплексов типа VITROLUX-C,-UC,-MC, производимых компанией “Vitro Laser”. Примеры гравировальных комплексов c использованием излучателей серии VLC3 приведены на рис. 3.
VITROLUX-2H
VITRO MC-1
Рис. 3
Минимальное расстояние между соседними пикселами в объеме коммерческого стекла
марки ВК7, достигаемое в комплексах, оснащенных ультрафиолетовыми лазерами VLC3.4V-UV
c использованием объектива с фокусным расстоянием F=56 мм, составляет 12—14 мкм.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
16 С. В. Гагарский, П. А. Гнатюк, А. Н. Сергеев, В. Ю. Храмов
Для увеличения плотности записи информации в объеме прозрачных изделий с толщиной стенок менее 1 мм без повреждения внешних оптических поверхностей разработаны излучатели на основе микрочип-лазеров с пассивной модуляцией добротности. Лазеры серии VLC5 на основе композитных элементов Nd3+:YAG—Cr4+:YAG обеспечивают генерацию отдельных субнаносекундных импульсов на длине волны третьей гармоники неодимсодержащих кристаллов (спектральный диапазон генерации в области 355 нм) с энергией до 80 мкДж либо генерацию пачек импульсов (в количестве до 4), предназначенных для нанесения матричных кодов в изделиях. Синхронизация положения перетяжки сфокусированного пучка в изделии, задаваемого текущими углами зеркал гальваносканера и моментом генерации субнаносекундного импульса, обеспечивается формой импульса накачки, в профиле которого присутствуют дополнительные субимпульсы длительностью 2—4 мкс, достаточные для превышения порога генерации моноимпульса в режиме пассивной модуляции добротности. В результате сокращения длительности импульсов и улучшения качества лазерного пучка (параметр M 2, характерный для излучателей этого типа, составляет 1,15) минимальное допустимое расстояние между соседними пикселами записи в условиях, описанных для излучателя VLC3.4V-UV, сократилось до 8 мкм.
Примеры использования в различных областях рассмотренных лазерных источников приведены на рис. 4, 5: рис. 4, а — результат лазерной гравировки в объеме стекла марки ВК7; рис. 4, б — нанесение матричного кода в стенке контейнера для лекарств (толщина стенки 1 мм, появление микротрещин на поверхностях не допускается); рис. 5, а — тестовый скан для определения лучевой прочности и порога двухфотонной записи люминесцирующих центров в хромонах [6], внедренных в полимерную матрицу: точка 1 — присутствует оптический пробой матрицы, точка 2 — люминесцентная метка без пробоя; рис. 5, б — зависимость интенсивности люминесценции Plum от радиальной координаты dr вдоль направления 3 (см. а), энергия наносекундного лазерного импульса на длине волны записи 532 нм уменьшается от периферии к центру по заданному закону.
а) а)
1
3 б)
2
б) Plum
0,5
100 мкм
0 175 350 525 dr, мкм
Рис. 4
Рис. 5
Результатом проведенных работ, описанных в данной статье, стало создание промыш-
ленных твердотельных лазеров, предназначенных для использования в микротехнологиях,
медицине и научных исследованиях. Лазеры серии VLC3 обеспечивают генерацию наносе-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
Твердотельные лазеры с диодной накачкой
17
кундных импульсов миллиджоульного уровня энергии с килогерцовой частотой повторения в одномодовом режиме, а лазеры серии VLC5 генерируют одномодовые одночастотные субнаносекундные импульсы с энергией порядка сотен микроджоулей и обеспечивают дискретную запись информации в объеме прозрачных материалов с повышенной плотностью.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Glass A. J., Guenther A. H. Damage in laser glass-review — A status report // Applied Optics. 1973. Vol. 12, Iss. 4. P. 637—649.
2. Маненков А. А., Прохоров А. М. Лазерное разрушение прозрачных тел // Успехи физ. наук. 1986. Т. 148, вып 1. С. 5—38.
3. Пат. 321422 СССР. Метод изготовления декоративных изделий / В. В. Агаджанов, В. И. Гостев, В. В. Груздев, Л. А. Карпоносов, В. И. Лавров // Б.И. 1971. № 35.
4. Troitski I. Laser-induced image technology (yesterday, today, and tomorrow) // Proc. of SPIE. 2005. Vol. 5664. P. 293—301.
5. Gnatyuk V. A., Kanev K. К., Gagarsky S. V. Features of transparent material marking with nano- and subnanosecond laser pulses // J. of Advanced Research in Physics. 2011. Vol. 2, Iss. 2. P. 1—5.
6. Barachevsky V. A., Krayushkin M. M., Kyiko V. V., Grebennikov E. P. Light-sensitive organic recording media for 3D optical memory // Phys. Status Solidi C 8. 2011. N 9. P. 2841—2845.
7. Морозов Н. Ф., Зимин Б. А., Семенов Б. Н., Судьенков Ю. В., Баранов Г. А., Беляев А. А., Цветков Г. В. Исследование динамической прочности объема кварцевого стекла методом оптического пробоя // Письма в ЖТФ. 2004. Т. 30, № 6. С. 38—44.
8. Тогатов В. В., Гагарский С. B., Гнатюк П. А., Черевко Ю. И. Импульсный блок питания лазерных диодных модулей для накачки твердотельных лазеров // Приборы и техника эксперимента. 2007. № 2. C. 158—159.
9. Тогатов В. В., Гагарский С. B., Гнатюк П. А., Терновский Д. С. Высоковольтный импульсный наносекундный модулятор // Там же. 2007. № 6. C. 134—135.
10. Гагарский С. В., Ермолаев В. С., Сергеев А. Н., Пузык М. В. Исследование лучевой прочности диэлектрических покрытий, нанесенных на оптическую поверхность // Изв. вузов. Приборостроение. 2012. Т. 55, № 7. С. 80—84.
11. www.vitro.de,www.looxis.com
12. Ayt A., Kiyko V., Gagarsky S., Barachevsky V., Kraushkin M., Iglev H. An investigation of two-photon photochronism in thin-photochromic films // Abstracts of Phenics Intern. Network Simp., Nantes, France. 2012.
Сергей Валерьевич Гагарский Петр Анастасьевич Гнатюк Андрей Николаевич Сергеев Валерий Юрьевич Храмов
Сведения об авторах — канд. физ.-мат. наук; Санкт-Петербургский национальный исследова-
тельский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; E-mail: s.gagarsky@mail.ru — Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; инженер; E-mail: gnatyuk@mail.ru — аспирант; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; E-mail: mg_phooenix@yahoo.com — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; заведующий кафедрой; E-mail: khramov@grv.ifmo.ru
Рекомендована кафедрой лазерной техники и биомедицинской оптики
Поступила в редакцию 26.04.13 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9