Ла́зерная иммерсио́нная обрабо́тка материа́лов (ЛИОМ), технология сверления отверстий и размерной резки пластин из оптически прозрачных материалов за счёт использования лазерного излучения с длительностью импульсов в пикосекундном и фемтосекундном диапазонах и специальным режимом охлаждения обрабатываемого материала. Особенность технологии состоит в том, что при сравнительно небольшой средней мощности используемого лазерного излучения (порядка 50–100 Вт) мощность излучения в импульсе достигает значений более 20 МВт. Воздействие на стеклянную или сапфировую пластину импульса сфокусированного лазерного излучения с такой мощностью приводит к переходу материала пластины в жидкое и газообразное состояния, что и обеспечивает резку обрабатываемого материала.

При относительной простоте и очевидности применения подобных методов лазерной резки без специального охлаждения результаты их применения оставляют желать лучшего при работе с хрупкими и труднообрабатываемыми материалами. Например, сапфир характеризуется значительной величиной температурного коэффициента линейного расширения и коэффициента теплопроводности, а также их анизотропией, что приводит при лазерной резке к появлению обширной зоны теплового воздействия на обрабатываемый материал. Это связано, в частности, с избыточной импульсной мощностью и коротким временем воздействия лазерного излучения, а также с обусловленными этими обстоятельствами нестационарными тепловыми процессами, протекающими в обрабатываемом материале с различными характерными временами (Ожерелкова. 2019. С. 49–60), с отражениями лазерного излучения от частиц разрушаемого материала и от сформированных при резке новых хаотически расположенных поверхностей, с последующим поглощением и выделением дополнительного количества тепловой энергии.

В результате лазерного воздействия при традиционной технологии резки формируется зона теплового воздействия, ширина которой превышает ширину лазерного пучка на величину порядка 0,5 мм и более, а значения температурных градиентов в материале достигают значений, при которых охлаждение после резки вызывает в материале напряжения, превышающие предел прочности. В результате этого на поверхности материала в прилегающей к линии реза зоне формируется дефектный слой, который характеризуется наличием микротрещин и сколов, что оказывает существенное влияние на прочность изделия после обработки.

В работах (Лазерное сверление ... 2020. С. 3–7; Механизм лазерной ... 2020. С. 3–9; Технология лазерной ... 2020. С. 1–8) рассмотрена новая технология обработки стекла и сапфира при резке заготовок произвольной формы и сверлении отверстий с применением специальных режимов охлаждения материала, т. н. технология лазерной иммерсионной обработки. Преимущества лазерной иммерсионной обработки материалов обеспечиваются за счёт погружения обрабатываемого материала в иммерсионную охлаждающую жидкость и соответствующего выбора режимов технологических процессов обработки.

Принципиальная схема новой технологии – ЛИОМ представлена на рис. 1.

Рис. 1. Зона воздействия лазерного излучения (тепловой аккумулятор). Рис. 1. Зона воздействия лазерного излучения (тепловой аккумулятор). Процесс сверления начинается с фокусировки лазерного пучка на нижней поверхности обрабатываемого материала, что приводит к нагреву материала в зоне воздействия до температуры выше температуры плавления, нарушению структурной целостности материала с образованием жидкой и газообразной фаз. Иммерсионная жидкость в прилегающем к материалу слое, а также жидкая и газообразная фаза из продуктов разложения обрабатываемого материала образуют высокотемпературную смесь сложного химического состава, которая нагревается как непосредственно за счёт поглощения лазерного излучения, так и за счёт нового поступления продуктов разложения обрабатываемого материала.

Короткие длительности лазерного импульса (порядка 10 ^–11 с) не позволяют обеспечить за это время расширение объёма прогретой смеси иммерсионной жидкости и продуктов разложения материала, что приводит к формированию в зоне лазерного воздействия малоразмерных областей с высокой температурой и высоким локальным давлением. Указанные области в процессе обладают достаточно большой удельной энергией и выполняют после завершения лазерного импульса функции тепловых аккумуляторов, которые обеспечивают передачу тепла к обрабатываемому материалу.

В таблице приведены оценки численных значений параметров рабочего тела при воздействии лазерного излучения и неизменных значений плотности и теплоёмкости иммерсионной жидкости (вода) (Механизм лазерной ... 2020. С. 3–9). Оценки изменения параметров рабочего тела выполнялись для теплового аккумулятора цилиндрической формы, основание которого совпадает с площадью лазерного пучка, а высота равна диаметру лазерного пучка. Первоначально объём заполнен иммерсионной жидкостью.

Полученные оценки значений температуры рабочего тела существенно превышают условия, при которых можно считать неизменными его химический состав, значения теплоёмкости и другие параметры рабочего тела, т. к. рассмотренный объём будет заполнен высокотемпературной химически реагирующей смесью веществ. Для определения температуры, давления, мольного состава смеси используются методы химической термодинамики, которые позволяют определить и такие свойства смеси (рабочего тела), как различные виды теплоёмкости, коэффициенты теплопроводности, вязкости и т. д.

На рис. 2 представлен расчёт мольных долей отдельных веществ в составе рабочего тела при изменении значения удельной внутренней энергии, что эквивалентно количеству поглощённой от лазерного излучения энергии.

Рис. 2. Зависимость мольных долей отдельных веществ в составе рабочего тела от удельной внутренней энергии (МДж/кг).Рис. 2. Зависимость мольных долей отдельных веществ в составе рабочего тела от удельной внутренней энергии (МДж/кг).Увеличение внутренней энергии рабочего тела теплового аккумулятора на 4 МДж/кг и более приводит к появлению в его составе новых химических соединений. Так, при увеличении внутренней энергии на 14 МДж/кг в состав рабочего тела входит 9 % H₂, 9 % OH, 2,6 % O₂, 1,25 % H, 0,65 % O и другое, а наличие в составе рабочего тела молекулярного и атомарного водорода, атомарного кислорода позволяет обеспечить интенсификацию теплопередачи в дефектные участки обрабатываемого материала за счёт их высоких диффузионных свойств.

После пополнения энергии при воздействии следующего импульса лазерного излучения энергетические потери теплового аккумулятора восстанавливаются. Наличие теплового аккумулятора с закрытым иммерсионной жидкостью объёмом позволяет устранить потери энергии, связанные с затратами энергии на переход вещества в газовую фазу, избыточным нагревом вещества до температуры выше температуры плавления, потерями энергии, связанными с выходом вещества в атмосферу. Эффективное использование энергии для разрушения обрабатываемого материала в зоне реза позволяет увеличить время последействия теплового аккумулятора до десятых и сотых долей секунды после завершения лазерного импульса и существенно увеличить скорость обработки материала при сверлении.

Тепловой аккумулятор является малоразмерным, что обеспечивает резкие перепады температуры на его границах и позволяет уменьшить ширину зоны теплового воздействия и дефектной кромки обрабатываемого отверстия.

Формирование теплового аккумулятора в образованной при резке материала канавке позволяет обеспечить требуемое направление реза относительно внешней поверхности за счёт горизонтального смещения точки фокусировки лазерного луча при переходе к следующим вышерасположенным слоям материала. Таким образом, решается вопрос формирования в материале отверстий диаметром 200 мкм и более с заданными значениями конусности.

Извлечение заготовок после завершения процесса резки обеспечивается как расширением линии реза за счёт многократного прохода со смещением, так и за счёт формирования линии реза с заданным углом к внешней поверхности.

Под обрабатываемым материалом располагается слой иммерсионной жидкости, плотность которой меньше плотности обрабатываемого материала, что позволяет удалить частицы обрабатываемого материала из зоны лазерного воздействия и увеличить скорость обработки материала при сверлении.

Таким образом, новая технология ЛИОМ имеет следующие особенности и преимущества:

• воздействие тепловых потоков с мощностью порядка 25 МДж в импульсах пикосекундной длительности;

• малые площади сфокусированного лазерного пучка и малые объёмы зоны лазерного воздействия;

• изолированность зоны лазерного воздействия от свободного пространства слоем иммерсионной жидкости;

• увеличение в зоне лазерного воздействия удельной энергии иммерсионной жидкости на 10–20 мДж/кг, что позволяет перейти веществу в условиях малого изменения объёма в новое высокоэнтальпийное состояние – сверхкритический флюид (СКФ), минуя стадию парообразования;

• СКФ обладает высокой энергоёмкостью, высокой плотностью, что позволяет рассматривать вещество в зоне лазерного воздействия как тепловой аккумулятор;

• тепловой аккумулятор многократно увеличивает время теплового воздействия на обрабатываемый материал;

• малые размеры теплового аккумулятора и большие температурные градиенты на его границах существенно уменьшают область его воздействия на обрабатываемый материал.

Технология ЛИОМ была применена при сверлении микроотверстий диаметром 200 мкм и менее в стёклах толщиной от 0,1 до 0,8 мм. На рис. 3 приведены результаты сравнения полученных образцов при сверлении методом ЛИОМ и обычной лазерной обработке.

Рис. 3. Вид отверстия диаметром 180 мкм при лазерном сверлении стекла толщиной 0,5 мм.Рис. 3. Вид отверстия диаметром 180 мкм при лазерном сверлении стекла толщиной 0,5 мм.Выполненные работы по сверлению отверстий по технологии ЛИОМ позволили получить следующие результаты:

• получены оптимальные режимы сверления отверстий с минимальным диаметром до 100 мкм в стекле толщиной 0,8 мм;

• при сверлении ширина зоны теплового воздействия на материал не превышала 15 мкм;

• при сверлении микроотверстий конусность не превышала 2 мкм;

• время сверления одного отверстия не превышало 2 с;

• процесс лазерного сверления не требует дополнительных операций по последующей обработке полученных отверстий;

• предложенный метод пригоден для получения массива микроотверстий в подложке с минимальными расстояниями между отверстиями: например, при производстве масок в полупроводниковой промышленности выполнено в стекле толщиной 0,8 мм сверление системы микроотверстий диаметром 100 мкм и шагом 250 мкм.

Технология ЛИОМ была успешно применена при изготовлении круглых отверстий большого диаметра при сквозном сверлении стекла толщиной 3 мм. Для обеспечения свободного удаления диска из заготовки выполнялось несколько проходов по контуру резки. На рис. 4 представлена фотография дисков, полученных при сквозном сверлении стекла с применением ЛИОМ, при этом как внешняя поверхность дисков, так и внутренние поверхности отверстий в заготовке не требуют дополнительной обработки.

Рис. 4. Вид дисков диаметром 10 мм, полученных при сверлении в стекле толщиной 3 мм сквозных отверстий по технологии ЛИОМ.Рис. 4. Вид дисков диаметром 10 мм, полученных при сверлении в стекле толщиной 3 мм сквозных отверстий по технологии ЛИОМ.Аналогичные результаты были получены и при резке сапфира по технологии ЛИОМ. На рис. 5 представлен вид сапфировой пластины толщиной 0,4 мм после формирования на ней закруглений и сквозных отверстий разных диаметров. Следует отметить, что как внешняя поверхность дисков, так и внутренняя поверхность полученных в заготовке отверстий большого диаметра не требуют финишной обработки.

Рис. 5. Общий вид сапфировой пластины толщиной 0,4 мм после лазерной иммерсионной обработки.Рис. 5. Общий вид сапфировой пластины толщиной 0,4 мм после лазерной иммерсионной обработки.Таким образом, относительно нового метода лазерной иммерсионной резки материалов можно сделать следующие выводы:

• выполненные экспериментальные и теоретические исследования позволили разработать новую высокоэффективную промышленную технологию лазерной иммерсионной обработки хрупких оптически прозрачных материалов, таких как стекло и сапфир;

• технология ЛИОМ обеспечивает повышение производительности процесса более чем в 5 раз;

• технология ЛИОМ уменьшает ширину зоны термического воздействия более чем в 10 раз по сравнению с лазерным сверлением без применения иммерсионной жидкости;

• высокоэффективная обработка стекла и других материалов в ЛИОМ обеспечивается за счёт формирования в зоне обработки теплового аккумулятора, который оказывает решающее влияние на скорость и качество обработки за счёт оптимизации процесса термического воздействия на обрабатываемый материал;

• выполненная лазерная обработка изделий при ЛИОМ обеспечивает минимальные размеры дефектных зон и не требует дополнительных финишных операций для изделий после ЛИОМ;

• лазерное управляемое термораскалывание (ЛУТ) и ЛИОМ совместно позволяют обеспечить основные потребности в технологических процессах резки хрупких материалов с бездефектной или малодефектной обработкой кромок заготовок и являются высокоскоростными и энергоэффективными технологиями;

• в ЛУТ и ЛИОМ отсутствует выделение в окружающую среду продуктов технологической обработки материалов.

Метод ЛУТ является наиболее эффективным при прямолинейной размерной резке хрупких неметаллических материалов, но в то же время имеет ряд существенных ограничений при резке по криволинейному контуру и обработке отверстий малого диаметра, где успешно можно использовать обработку лазерным импульсным излучением пикосекундного и фемтосекундного диапазонов. Совершенно логичным в связи с этим представляется появление цикла работ по разработке новой технологии комбинированной лазерной резки, сочетающей 2 метода (ЛУТ и ЛИОМ) в одном технологическом цикле при изготовлении изделий сложной формы (Новая технология ... 2020. С. 12–15; Glass Cutting ... 2020. P. 212–214). Разработанная технология позволяет совмещать преимущества двух методов лазерной резки в одном технологическом оборудовании.