ITFI930248A1 - Procedimento per la microforatura di materiali ottici - Google Patents

Description

"PROCEDIMENTO PER LA MICROFORATURA DI MATERIALI OTTICI

DESCRIZIONE

La presente invenzione concerne la realizzazione di un procedimento per la esecuzioni di fori di piccolo diametro, tipicamente compreso fra IO e 100 micrometri, e con rapporto lunghezza/diametro dell'ordine di 100 in materiali duri e trasparenti, adatti per applicazioni ottiche, come quarzo, vetro ottico, rubino e diamante sintetici, ed altri; il procedimento consente di ottenere tali fori con pareti lisce, atte a costituire guida d'onda ottica.

La finalit? del procedimento ? atta ad applicazioni industriali di notevole interesse, ad esempio per la fabbricazione di componenti integrati ottico-elettronici -come sensori di temperatura ricavati per microforatura dell'estremit? di fibre ottiche- o per l'accoppiamento di fibre ottiche a cristalli.

Le tecniche meccaniche di foratura di materiali ottici, quali quarzo e vetro ottico, e di substrati di materiali amorfi o cristallini di utilizzo nella realizzazione di dispositivi elettro-ottici, presentano notevoli problemi di realizzazione; con punte meccaniche si ottengono tipicamente forature di bassa qualit? ed alta rugosit? superficiale, con diametri non inferiori alle centinaia di micrometri e con notevole incidenza di rotture durante la lavorazione.

I dispositivi laser, come sono impiegati nei processi di taglio di materiali metallici e plastici, non consentono di ottenere lo scopo della presente invenzione, in quanto i materiali trasparenti per definizione non assorbono la radiazione luminosa e quindi non si produce l'effetto termico necessario per la foratura.

Per superare le problematiche sopraesposte, il procedimento oggetto della presente invenzione comprende l impiego di una emissione laser di alta qualit? ottica, detta emissione potendo essere focalizzata su di una area molto piccola, di alcuni micrometri di diametro, per generare in tale area una elevata densit? di potenza irradiata, tale da provocare una fase iniziale di attacco della superfice da forare mediante processi di assorbimento ottico non lineare; detti processi sono del tipo cosidetto "breakdown" ottico - ionizzazione, estrazione di elettroni dalla superficie, accelerazione e moltiplicazione di essi per effetto valanga - che provoca un limitato danneggiamento della superficie e quindi un centro di assorbimento della radiazione laser, e/o processi di assorbimento a due fotoni, che modificano la struttura microscopica del materiale, dando origine a "centri di colore" sulla superficie del mezzo da forare; entrambi i processi hanno l'effetto di accrescere l'assorbimento locale innescando il riscaldamento locale del materiale ottico, di per s? altrimenti trasparente.

Per l'eccitazione di detti processi di assorbimento ? necessaria una notevole densit? di potenza istantanea, quale solo un laser di tipo impulsato pu? fornire .

Il riscaldamento locale cos? provocato causa la microfusione del materiale nel punto focale, con eiezione di vapori di materiale fuso; ogni impulso del laser, della durata di poche diecine di nanosecondi, provoca un altrettanto breve evento di riscaldamento, fusione ed emissione di vapore; gli intervalli fra gli impulsi, ossia la frequenza di impulsamento, sono tali per cui il calore non si-propaga a distanze maggiori di qualche micrometro, senza provocare alterazioni termiche apprezzabili nel volume di materiale attorno al foro.

Le pareti del foro cos? prodotte risultano lucide e di elevata qualit? ottica, con la conseguenza che il foro stesso agisce da guida ottica per la radiazione laser, estendendo la profondit? del foro ottenibile oltre la dimensione della zona di focheggiamento del fascio laser, tipicamente da tre a cinque volte il parametro confocale.

Per una data potenza media del laser, la lunghezza del foro ottenibile ? determinata principalmente dalla frequenza di ripetizione degli impulsi laser: la nube di vapore del materiale che viene eiettata ad ogni impulso pu? schermare l'impulso successivo a quello che l'ha generata se il tempo che essa impiega a disperdersi ? maggiore dell'intervallo fra i due impulsi successivi, e ci? per un tempo tanto pi? lungo quanto pi? ? approfondito il foro, in quanto la nube deve percorrere tutta la lunghezza di questo prima di raggiungere la superficie del campione e disperdersi nell'ambiente. Ad esempio, forature su quarzo hanno mostrato che quando il foro raggiunge una profondit? di circa 1 mm, la nube impiega circa 200 microsecondi per uscire dal foro e disperdersi; con frequenze di ripetizione superiori a 5 kHz, corrispondenti ad un intervallo fra gli impulsi pi? breve di 200 microsecondi, gli impulsi laser risultano schermati ed il processo di foratura si interrompe.

Il laser a vapori di rame meglio di altri laser permette di variare entro certi limiti la frequenza di ripetizione, consentendo di ottenere fori particolarmente lunghi.

Il diametro, la profondit? e la velocit? di foratura ottenibili con detto procedimento, a parit? di condizioni di irraggiamento laser, dipendono fortemente dai parametri fisici (densit?, durezza), ottici (trasparenza alla radiazione laser in fase solida e fusa) e termodinamici (temperatura di fusione, conducibilit? termica, ecc.) del materiale da forare. Ad esempio, nel quarzo ottico con i seguenti parametri di irraggiamento con laser a vapori di rame:

- potenza media 2 Watt, comunque superare ad 1 Watt; - potenza di picco del singolo impulso superiore a 10 kWatt;

- elevata qualit? ottica del fascio laser, tale da permettere di ottenere, per esempio con un obbiettivo di 50 mm di focale, aree di focheggiamento estremamente ridotte, con diametro minore di 10 micrometri, e con densit? di potenza istantanea superiore ad 1 GWatt/cm ; - frequenza di ripetizione degli impulsi del laser di 2500 Hz, comunque compresa fra 1 e 10 kHz.

si ottengono fori leggermente conici, lunghi circa 2 mm, con diametro iniziale di 30 micrometri e finale di circa 1 micrometro, in un tempo compreso fra l e 2 secondi .

La conicit? dei fori pu? venire controllata durante l'esecuzione del procedimento variando opportunamente la potenza media del laser, ad esempio mediante la variazione dell'apertura di un diaframma posto sul percorso del raggio laser; un aumento progressivo di potenza durante la foratura d? luogo ad.un foro maggiormente cilindrico, viceversa la diminuzione di potenza aumenta la conicit? del foro.

In alcuni materiali il procedimento di foratura descritto inizia con la produzione di un danneggiamento superficiale, sotto forma di un cratere di diametro alcune volte quello del foro da produrre; tale danneggiamento pu? essere minimizzato posizionando la superficie da forare qualche centinaio di micrometri oltre il fuoco del sistema ottico, invece che nell'esatta corrispondenza dello stesso, oppure applicando a contatto ottico con la superficie stessa una lastrina, preferibilmente dello stesso materiale, di circa 100 micrometri di spessore.

Il metodo si presta alla foratura di pacchetti di lastrine sottili di materiali ottici, compattate per compressione meccanica, per ottenere forature simultanee con diametri controllati.

Il trovato verr? meglio compreso seguendo la descrizione e l'unito disegno, il quale mostra una pratica forma di attuazione non limitativa del trovato stesso. Nel disegno: la

Figura unica mostra la rappresentazione schematica di un apparato di foratura secondo il procedimento descritto .

Con riferimento alla Fig.l, con .1 ? indicato schematicamente un generatore di raggio laser la cui cavit? ? munita di risuonatori ottici di tipo instabile, comprendente, combinati fra loro in modo noto, un generatore laser propriamente detto (1.5), una coppia di prismi polarizzatori (1.3), una coppia di specchi sferici (1.1, 1.11), un diaframma a forellino (1.9) ed uno specchio forato (1.7).

Il generatore laser (1.5) ? del tipo a vapori di rame, con lunghezze d'onda di emissione nel verde e nel giallo, rispettivamente di 511 e 578 nanometri, funzionante ad impulsi; il raggio (3) emergente viene parzializzato con un diaframma ad iride (5) e, dopo deviazione con uno specchio (7), focalizzato sulla superficie del blocchetto (11) di materiale ottico da forare attraverso un sistema di lenti (9); detto sistema ottico (9) ha preferibilmente una lunghezza focale compresa fra 5 e 10 cm ed ? corretto per le aberrazioni sferica e cromatica.

Il generatore laser viene impulsato ad una frequenza adeguata al materiale ed alla lunghezza del foro da ottenere, generalmente compresa fra 1 e 10 kHz, con impulsi di potenza compresa fra 30 e 150 kWatt, in modo da ottenere una densit? di potenza istantanea superiore ad 1 GWatt/cm<2>.

E' inteso che il disegno non mostra che una esemplificazione data solo quale dimostrazione pratica del trovato, potendo esso trovato variare nelle forme e disposizioni senza peraltro uscire dall'ambito del concetto che informa il trovato stesso. L'eventuale presenza di numeri di riferimento nelle rivendicazioni accluse ha lo scopo di facilitare la lettura delle rivendicazioni con riferimento alla descrizione ed al disegno, e non limita l'ambito della protezione rappresentata dalle rivendicazioni.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1) Procedimento per la microlavorazione, in specie la microforatura di materiali ottici per l'ottenimento di fori con alto rapporto lunghezza/diametro, tipicamente maggiore di 100, ed a pareti lisce tali da costituire guida ottica, per mezzo di un raggio laser focalizzato, caratterizzato dal fatto: che - allo scopo di accrescere l'assorbimento locale innescando il riscaldamento locale del materiale ottico, di per s? altrimenti trasparente - l'emissione laser ? del tipo impulsato e di alta qualit? ottica, in modo da poter essere focalizzata in una piccola area della superficie da forare, di diametro di alcuni micrometri, con una alta potenza istantanea per innescare processi di assorbimento non lineare, come il "breakdown ottico" e/o i processi di assorbimento a due fotoni; ed inoltre che la frequenza di impulsamento del laser ? tale per cui il periodo fra un impulso e l'altro ? inferiore al valore che consente di mantenere fuso il materiale nella microzona di foratura, ma superiore al tempo necessario per la dispersione della nube di materiale vaporizzato che ivi si genera.
2. 2) Procedimento come da rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che viene usato un laser con le seguenti caratteristiche di emissione: lunghezza d'onda inferiore a 600 nm, potenza media superiore ad 1 Watt, emissione ad impulsi con potenza di picco superiore a 10 KWatt, frequenza di impulsi compresa fra 1 e 10 KHz, alta qualit? ottica di emissione.
3. 3) Procedimento come da rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che viene usato un laser a vapori di rame, con emissione a 511 e 578 nm.
4. 4) Procedimento come da rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la cavit? di detto laser ? munita di risonatori ottici di tipo instabile.
5. 5) Procedimento come da almeno la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l'obiettivo di focalizzazione ? di focale inferiore a 100 mm, corretto per le aberrazioni sferica e cromatica.
6. 6) Procedimento come da una almeno delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che - per ottenere fori a diametro circa costante - viene regolata la potenza di picco degli impulsi luminosi incidenti sul materiale da forare mediante diaframmatura o altra regolazione della potenza emessa dal laser, in modo da aumentare detta potenza incidente durante la foratura -in funzione della profondit? raggiunta dal foro.
7. 7) Procedimento come da una almeno delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che - per ridurre il cratere d'inizio del foro - la superficie da forare ? posizionata qualche centinaio di micrometri oltre il fuoco del sistema ottico di focheggiamento (9).
8. 8) Procedimento come da una almeno delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che - per ridurre il cratere di inizio del foro-- prima della foratura viene fatta aderire alla superficie ottica una piastrina di spessore sottile, tipicamente 0,1 mm, di materiale simile a quello da forare.
9. 9) Procedimento come da una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che viene impiegato un laser impulsato con potenza di picco del singolo impulso compresa fra 30 e 150 kWatt.
10. 10) Procedimento come da una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che viene impiegato un laser impulsato con potenza media di emissione compresa fra 10 e 100 Watt.
11. 11) Procedimento come da una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che viene impiegato un laser impulsato di elevata qualit? ottica del fascio di emissione in modo da ottenere aree di focheggiamento di diametro inferiore ai 100 micrometri e densit? focale superiore a 1 GWatt/cm 12) Procedimento per la microforatura di materiali ottici, il tutto come sopra descritto.