RU2646177C1 - Method of laser processing of nonmetallic materials - Google Patents

Method of laser processing of nonmetallic materials Download PDF

Info

Publication number
RU2646177C1
RU2646177C1 RU2017103663A RU2017103663A RU2646177C1 RU 2646177 C1 RU2646177 C1 RU 2646177C1 RU 2017103663 A RU2017103663 A RU 2017103663A RU 2017103663 A RU2017103663 A RU 2017103663A RU 2646177 C1 RU2646177 C1 RU 2646177C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
laser pulse
pulse
temperature
equation
Prior art date
Application number
RU2017103663A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Фёдорович Коваленко
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА")
Priority to RU2017103663A priority Critical patent/RU2646177C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2646177C1 publication Critical patent/RU2646177C1/en

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B33/00—Severing cooled glass
    • C03B33/02—Cutting or splitting sheet glass or ribbons; Apparatus or machines therefor
    • C03B33/04—Cutting or splitting in curves, especially for making spectacle lenses
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P40/00—Technologies relating to the processing of minerals
    • Y02P40/50—Glass production, e.g. reusing waste heat during processing or shaping
    • Y02P40/57—Improving the yield, e-g- reduction of reject rates

Abstract

FIELD: technological processes.
SUBSTANCE: method of laser processing of non-metallic materials according to the invention is in the calculation of conditions of material thermostability under the influence of laser pulse of triangular temporary form and, at its failure, preliminary heating of material to temperatures determined by the ratio, binding properties of the material and the duration of laser pulse. Further processing of materials is carried out by the action of a pulse of laser radiation with an energy density sufficient to reach the annealing temperature (melting) of the material surface.
EFFECT: method is used to prevent spalling of materials during processing and to increase the yield of the products.
1 dwg

Description

Изобретение относится к области технологических процессов и может быть использовано для отжига или легирования пластин из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.The invention relates to the field of technological processes and can be used for annealing or alloying plates of semiconductor, ceramic and glassy materials.

Известен способ обработки неметаллических материалов, применяемый для аморфизации кремния и заключающийся в облучении их поверхности импульсом лазерного излучения с плотностью энергии, достаточной для достижения поверхностью температуры плавления материала [Боязитов P.M. и др. Аморфизация и кристаллизация кремния субнаносекундными лазерными импульсами. Тезисы докладов VIII Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом. Ленинград, 11-18 марта 1988 г., с. 24].A known method of processing non-metallic materials used for amorphization of silicon and consisting in irradiating their surface with a laser pulse with an energy density sufficient to reach the surface of the melting temperature of the material [Boyazitov P.M. Amorphization and crystallization of silicon by subnanosecond laser pulses. Abstracts of the VIII All-Union Conference on the interaction of optical radiation with matter. Leningrad, March 11-18, 1988, p. 24].

Известен также способ обработки неметаллических материалов, применяемый для отжига ионно-легированного кремния, заключающийся в облучении пластины импульсом лазерного излучения с плотностью энергии, достаточной для достижения поверхностью пластины температуры отжига [Кузменченко Т.А. и др. Лазерный отжиг ионно-легированного кремния излучением с длиной волны 2,94 мкм. Тезисы докладов VIII Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом. Ленинград, 11-18 марта 1988 г., с. 29].There is also a method of processing non-metallic materials used for annealing of ion-doped silicon, which consists in irradiating the plate with a laser pulse with an energy density sufficient to achieve the annealing temperature of the plate surface [T. Kuzmenchenko. et al. Laser annealing of ion-doped silicon by radiation with a wavelength of 2.94 microns. Abstracts of the VIII All-Union Conference on the interaction of optical radiation with matter. Leningrad, March 11-18, 1988, p. 29].

Известен также способ обработки неметаллических материалов, заключающийся в облучении их поверхности одиночным лазерным импульсом прямоугольной формы [Бакеев А.А., Соболев А.П., Яковлев В.И. Исследования термоупругих напряжений, возникающих в поглощающем слое вещества под действием лазерного импульса. ПМТФ, - 1982. - №6 - с. 92-98] - аналог. Обрабатываемые материалы обладают, как правило, объемным поглощением на длине волны воздействующего лазерного излучения. Недостатком указанных способов является то, что возникающие в материале термоупругие напряжения могут привести к разрушению материала вследствие откола со стороны облучаемой поверхности.There is also a method of processing non-metallic materials, which consists in irradiating their surface with a single rectangular laser pulse [Bakeev A.A., Sobolev A.P., Yakovlev V.I. Studies of thermoelastic stresses arising in the absorbing layer of a substance under the action of a laser pulse. PMTF, - 1982. - No. 6 - p. 92-98] - analogue. The processed materials have, as a rule, volumetric absorption at the wavelength of the acting laser radiation. The disadvantage of these methods is that the thermoelastic stresses arising in the material can lead to destruction of the material due to spallation from the irradiated surface.

Известен также способ обработки неметаллических материалов [Атаманюк В.М., Коваленко А.Ф., Левун И.В., Федичев А.В. Способ обработки неметаллических материалов. Патент RU 2211753 С2, МПК В23К 26/00, опубл. 10.09.2003, бюл. №25], заключающийся в облучении их поверхности импульсом лазерного излучения, временная форма которого описывается соотношениемThere is also a known method of processing non-metallic materials [Atamanyuk V.M., Kovalenko A.F., Levun I.V., Fedichev A.V. A method of processing non-metallic materials. Patent RU 2211753 C2, IPC V23K 26/00, publ. 09/10/2003, bull. No. 25], which consists in irradiating their surface with a laser pulse, the temporary shape of which is described by the relation

Figure 00000001
Figure 00000001

где q(t) - плотность мощности лазерного излучения, Вт/м2;where q (t) is the power density of the laser radiation, W / m 2 ;

b1 и b2 - константы, характеризующие фронт и спад лазерного импульса и определяемые из условияb 1 and b 2 are constants that characterize the front and decay of the laser pulse and are determined from the condition

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

qmax - максимальное значение плотности мощности лазерного излучения в импульсе, Вт/м2;q max - the maximum value of the power density of laser radiation in a pulse, W / m 2 ;

е - основание натурального логарифма;e is the base of the natural logarithm;

Figure 00000004
- плотность энергии лазерного излучения, Дж/м2;
Figure 00000004
- the energy density of the laser radiation, J / m 2 ;

τ - длительность лазерного импульса, с;τ is the laser pulse duration, s;

t - текущее время от начала воздействия, с.t is the current time from the onset of exposure, s.

Аналог. При этом плотность энергии в импульсе должна быть достаточной для достижения поверхностью материала температуры отжига и рассчитывается по уравнениюThe analogue. In this case, the energy density in the pulse must be sufficient for the surface of the material to reach the annealing temperature and is calculated by the equation

Figure 00000005
Figure 00000005

где Tƒ - температура отжига материала, К;where Tƒ is the annealing temperature of the material, K;

Т0 - начальная температура материала, К;T 0 - the initial temperature of the material, K;

с - удельная теплоемкость материала, Дж/(кг К);C is the specific heat of the material, J / (kg K);

ρ - плотность материала, кг/м3;ρ is the density of the material, kg / m 3 ;

R - коэффициент отражения материала на длине волны лазерного излучения;R is the reflection coefficient of the material at a wavelength of laser radiation;

χ - показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения, м-1.χ is the absorption coefficient of the material at the wavelength of the laser radiation, m -1 .

В аналоге показано, что при воздействии импульса лазерного излучения, описываемого соотношением (1), в неметаллических материалах возникают наименьшие, по сравнению с другими временными формами импульсов, максимальные растягивающие напряжения и существует минимальная область в плоскости параметров, характеризующих лазерный импульс и свойства материала, в которой возможно откольное разрушение материала со стороны облучаемой поверхности. Недостатком указанного способа является то, что возникающие в материале термоупругие напряжения могут привести к разрушению материала вследствие откола со стороны облучаемой поверхности.It is shown in the analogue that when exposed to a laser pulse described by relation (1), the least tensile stresses arise in nonmetallic materials in comparison with other temporary pulse shapes and there is a minimum region in the plane of the parameters characterizing the laser pulse and material properties in which may spall destruction of the material from the irradiated surface. The disadvantage of this method is that the thermoelastic stresses arising in the material can lead to destruction of the material due to spallation from the irradiated surface.

Известен также способ обработки неметаллических материалов, заключающийся в облучении их поверхности импульсом лазерного излучения, временная форма которого описывается уравнением (1) с плотностью энергии, определяемой уравнением (2), и предварительном нагреве материала до температуры, определяемой по соотношениюThere is also known a method of processing non-metallic materials, which consists in irradiating their surface with a laser pulse, the temporary shape of which is described by equation (1) with the energy density determined by equation (2), and pre-heating the material to a temperature determined by the ratio

Figure 00000006
Figure 00000006

где σВР - предел прочности материала на растяжение, Па;where σ BP is the tensile strength of the material, Pa;

с0 - скорость звука в материале, м/с;with 0 - the speed of sound in the material, m / s;

К - модуль всестороннего сжатия, Па;K is the module of comprehensive compression, Pa;

αT - коэффициент линейного расширения материала, К-1.α T is the coefficient of linear expansion of the material, K -1 .

[Патент РФ №2583870, МПК H01L 21/42, 10.05.2016, бюл. №13] - прототип.[RF patent No. 2583870, IPC H01L 21/42, 05/10/2016, bull. No. 13] is a prototype.

Недостатком прототипа является то, что при воздействии лазерных импульсов других временных форм с плотностью энергии, определяемой по уравнению (2), на материал с начальной температурой, определяемой по соотношению (3), материал будет разрушен термоупругими напряжениями вследствие откола со стороны облучаемой поверхности. Лазерный импульс, описываемый уравнением (1), создает минимальные термоупругие напряжения в поглощающем слое материала. Лазерные импульсы других временных форм будут создавать в поглощающем слое материала большие термоупругие напряжения [Коваленко А.Ф. Экспериментальная установка для исследования влияния параметров лазерного импульса на разрушение неметаллических материалов. Приборы и техника эксперимента. - 2004. №4. - С. 119-124]. Лазерный импульс, описываемый уравнением (1), формируется при реализации схемы задающий генератор-многокаскадный усилитель. Задающий генератор должен работать в режиме модулированной добротности. Причем последний каскад усилителя должен работать в режиме, близком к насыщению. Если каскадов усиления не более двух-трех, то выходной лазерный импульс будет иметь временную форму, близкую к треугольной форме [Коваленко А.Ф. Экспериментальная установка для исследования влияния параметров лазерного импульса на разрушение неметаллических материалов. Приборы и техника эксперимента. - 2004. №4. - С. 119-124], описываемой уравнением:The disadvantage of the prototype is that when laser pulses of other temporal forms with an energy density determined by equation (2) affect a material with an initial temperature determined by relation (3), the material will be destroyed by thermoelastic stresses due to spallation from the irradiated surface. The laser pulse described by equation (1) creates minimal thermoelastic stresses in the absorbing layer of the material. Laser pulses of other temporal forms will create large thermoelastic stresses in the absorbing layer of the material [A. Kovalenko An experimental setup for studying the effect of laser pulse parameters on the destruction of non-metallic materials. Instruments and experimental technique. - 2004. No. 4. - S. 119-124]. The laser pulse described by equation (1) is formed during the implementation of the master oscillator-multistage amplifier circuit. The master oscillator must operate in a Q-switched mode. Moreover, the last stage of the amplifier should work in a mode close to saturation. If the amplification stages are no more than two or three, then the output laser pulse will have a temporary shape close to a triangular shape [Kovalenko AF An experimental setup for studying the effect of laser pulse parameters on the destruction of non-metallic materials. Instruments and experimental technique. - 2004. No. 4. - S. 119-124], described by the equation:

Figure 00000007
Figure 00000007

где q(t) - плотность мощности лазерного излучения Вт/см2;where q (t) is the power density of the laser radiation W / cm 2 ;

qm - максимальное значение плотности мощности лазерного излучения Вт/см2;q m is the maximum value of the power density of the laser radiation W / cm 2 ;

t - текущее время от начала воздействия, с;t is the current time from the onset of exposure, s;

τ - длительность лазерного импульса, с.τ is the laser pulse duration, s.

Техническим результатом предполагаемого изобретения является исключение откольного разрушения материалов со стороны облучаемой поверхности и повышение выхода годных изделий в технологическом процессе обработки.The technical result of the proposed invention is the elimination of spall destruction of materials from the irradiated surface and the increase in yield of products in the technological process of processing.

Технический результат достигается тем, что в способе лазерной обработки неметаллических материалов, включающем предварительный нагрев материала до определенной начальной температуры и облучение поверхности импульсом лазерного излучения, температуру предварительного подогрева материала определяют из условия термопрочностиThe technical result is achieved by the fact that in the method of laser processing of non-metallic materials, including preheating the material to a certain initial temperature and irradiating the surface with a laser pulse, the temperature of the preheating of the material is determined from the condition of heat resistance

Figure 00000008
Figure 00000008

где σВР - предел прочности материала на растяжение, Па;where σ BP is the tensile strength of the material, Pa;

К - модуль всестороннего сжатия материала, Па;K is the module of comprehensive compression of the material, Pa;

αT - коэффициент линейного расширения материала, К-1;α T is the coefficient of linear expansion of the material, K -1 ;

е - основание натурального логарифма;e is the base of the natural logarithm;

а=χc0τ; a = χc 0 τ;

χ - показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения, м-1;χ is the absorption coefficient of the material at a wavelength of laser radiation, m -1 ;

с0 - скорость звука в материале, м/с;with 0 - the speed of sound in the material, m / s;

τ - длительность лазерного импульса, с,τ is the duration of the laser pulse, s,

при этом облучение осуществляют лазерным импульсом с плотностью энергии, определяемой по соотношениюirradiation is carried out with a laser pulse with an energy density determined by the ratio

Figure 00000009
Figure 00000009

где Тƒ - температура отжига материала, К;where T ƒ - temperature annealing of the material, K;

Т0 - начальная температура материала после предварительного подогрева, К;T 0 - the initial temperature of the material after preheating, K;

с - удельная теплоемкость материала, Дж/(кг⋅К);s - specific heat of the material, J / (kg⋅K);

ρ - плотность материала, кг/м3;ρ is the density of the material, kg / m 3 ;

R - коэффициент отражения материала на длине волны лазерного излучения,R is the reflection coefficient of the material at a wavelength of laser radiation,

и временной формой лазерного импульса, которая описывается соотношениемand the temporal shape of the laser pulse, which is described by the relation

Figure 00000010
Figure 00000010

где q(t) - плотность мощности лазерного излучения Вт/см2;where q (t) is the power density of the laser radiation W / cm 2 ;

qm - амплитуда плотности мощности лазерного излучения Вт/см2;q m is the amplitude of the power density of the laser radiation W / cm 2 ;

t - текущее время от начала воздействия, с.t is the current time from the onset of exposure, s.

Ниже приводится более подробное описание способа лазерной обработки неметаллических материалов со ссылкой на фиг. 1.Below is a more detailed description of the method for laser processing of non-metallic materials with reference to FIG. one.

Сущность способа лазерной обработки неметаллических материалов состоит в следующем.The essence of the method of laser processing of non-metallic materials is as follows.

Перед осуществлением лазерного отжига неметаллических материалов измеряют длительность лазерного импульса и контролируют его временную форму с использованием, например, запоминающего осциллографа С8-12 и фотоэлемента ФК-19. Если временная форма лазерного импульса близка к форме, описываемой уравнением (7), рассчитывают условие термопрочности материала по соотношению (5). Если условие (5) термопрочности материала для измеренной длительности лазерного импульса и конкретного материала выполняется, осуществляют лазерный отжиг путем воздействия на поверхность материала лазерного импульса с плотностью энергии, определяемой по уравнению (6). Если условие (5) не выполняется, пластину из неметаллического материала предварительно нагревают, например, в муфельной печи до температуры Т0, определяемой из уравнения (5). Затем воздействуют на пластину одиночным импульсом лазерного излучения с плотностью энергии, рассчитываемой по уравнению (6), с учетом нового значения начальной температуры. При легировании материалов в формуле (6) для определения требуемой плотности энергии лазерного импульса вместо значения температуры отжига необходимо подставлять значение температуры плавления материала.Before laser annealing of non-metallic materials is carried out, the laser pulse duration is measured and its temporal shape is controlled using, for example, a S8-12 storage oscilloscope and a FK-19 photocell. If the temporal shape of the laser pulse is close to the shape described by equation (7), the condition of thermal strength of the material is calculated by the relation (5). If condition (5) of the thermal strength of the material for the measured duration of the laser pulse and a specific material is fulfilled, laser annealing is performed by exposing the surface of the material to a laser pulse with an energy density determined by equation (6). If condition (5) is not satisfied, the plate of non-metallic material is preheated, for example, in a muffle furnace to a temperature T 0 determined from equation (5). Then they act on the plate with a single pulse of laser radiation with an energy density calculated according to equation (6), taking into account the new value of the initial temperature. When alloying materials in formula (6), to determine the required energy density of the laser pulse, instead of the annealing temperature, it is necessary to substitute the melting temperature of the material.

В работе [Бакеев А.А., Соболев А.П., Яковлев В.И. Исследования термоупругих напряжений, возникающих в поглощающем слое вещества под действием лазерного импульса. ПМТФ, - 1982. - №6 - с. 92-98] показано, что максимальные растягивающие напряжения, возникающие в материале, описываются уравнениемIn the work [Bakeev A.A., Sobolev A.P., Yakovlev V.I. Studies of thermoelastic stresses arising in the absorbing layer of a substance under the action of a laser pulse. PMTF, - 1982. - No. 6 - p. 92-98] it is shown that the maximum tensile stresses arising in the material are described by the equation

Figure 00000011
Figure 00000011

где x - координата, отсчитываемая от поверхности материала вглубь, м.where x is the coordinate measured from the surface of the material deep into, m.

В работе [Коваленко А.Ф. Экспериментальная установка для исследования влияния параметров лазерного импульса на разрушение неметаллических материалов. Приборы и техника эксперимента. - 2004. №4. - С. 119-124] показано, что максимальные растягивающие напряжения, возникающие при воздействии лазерного импульса, описываемого уравнением (5), имеют значениеIn the work [Kovalenko A.F. An experimental setup for studying the effect of laser pulse parameters on the destruction of non-metallic materials. Instruments and experimental technique. - 2004. No. 4. - S. 119-124] it is shown that the maximum tensile stresses that occur when exposed to a laser pulse described by equation (5) have a value

Figure 00000012
Figure 00000012

Учитывая, что

Figure 00000013
для временной формы лазерного импульса, описываемой уравнением (7), уравнение (9) примет вид:Given that
Figure 00000013
for the temporal shape of the laser pulse described by equation (7), equation (9) takes the form:

Figure 00000014
Figure 00000014

Если максимальные растягивающие напряжения превысят предел прочности материала на растяжение, произойдет откольное разрушение материала со стороны облучаемой поверхности. Анализ уравнения (10) показывает, что минимальная плотность энергии, приводящая к отколу материала, имеет место тогда, когда e-2χx стремится к 0. Из (10) найдем минимальную плотность энергии в лазерном импульсе, приводящую к разрушению материала термоупругими напряжениямиIf the maximum tensile stresses exceed the tensile strength of the material, spall fracture of the material from the side of the irradiated surface will occur. An analysis of equation (10) shows that the minimum energy density leading to material spalling occurs when e -2χx tends to 0. From (10) we find the minimum energy density in the laser pulse, which leads to the destruction of the material by thermoelastic stresses

Figure 00000015
Figure 00000015

Разделив (11) на (2) и поставив условие WT/Wf≥1, после несложных математических преобразований получим условие термопрочности материала при лазерном отжиге лазерным импульсом с временной формой, описываемой уравнением (7):Dividing (11) by (2) and setting the condition W T / W f ≥1, after simple mathematical transformations, we obtain the condition of thermal strength of the material during laser annealing with a laser pulse with a temporal shape described by equation (7):

Figure 00000016
Figure 00000016

или

Figure 00000017
or
Figure 00000017

где а=χc0τ - безразмерный параметр.where a = χc 0 τ is a dimensionless parameter.

Проведем анализ неравенства (12). Левая часть неравенства является константой, характеризующей свойства материала и показывающей отношение предела прочности материала на разрыв к максимальным растягивающим напряжениям. Правая часть неравенства - функция безразмерного параметра а, зависящая от временной формы лазерного импульса. Например, для временной формы лазерного импульса, описываемой уравнением (1), условие термопрочности имеет видLet us analyze the inequality (12). The left side of the inequality is a constant characterizing the properties of the material and showing the ratio of the tensile strength of the material to maximum tensile stresses. The right side of the inequality is a function of the dimensionless parameter a, depending on the temporal shape of the laser pulse. For example, for the temporal shape of the laser pulse described by equation (1), the condition of thermal strength has the form

Figure 00000018
Figure 00000018

Если неравенство выполняется, то температура отжига (плавления) материала достигается при меньшей плотности энергии, чем разрушения материала термоупругими напряжениями. В противном случае разрушение материала термоупругими напряжениями произойдет при меньшей плотности энергии, чем требуется для достижения поверхностью материала температуры отжига (плавления).If the inequality holds, then the temperature of annealing (melting) of the material is achieved at a lower energy density than the destruction of the material by thermoelastic stresses. Otherwise, the destruction of the material by thermoelastic stresses will occur at a lower energy density than is required to reach the annealing (melting) temperature of the material surface.

Анализ неравенства (12) показывает, что уменьшение разности (Tf-Т0) приводит к увеличению левой части неравенства. Из соотношения (12) найдем значение температуры Т0, до которой необходимо нагреть материал для выполнения условия термопрочностиAn analysis of inequality (12) shows that a decrease in the difference (T f -T 0 ) leads to an increase in the left side of the inequality. From relation (12) we find the value of temperature T 0 to which it is necessary to heat the material to satisfy the condition of thermal strength

Figure 00000019
Figure 00000019

На фиг. 1 представлено графическое решение неравенств (12) и (13) для цветного оптического стекла СЗС21, для которого σВР=6⋅107 Па, К=4⋅1010 Па, αT=7,6⋅10-6 К-1, Tƒ=770 К, Т0=300 К, с=710 Дж/(кг⋅К), ρ=2520 кг/м3, R=0,04, χ=21 см-1 для длины волны лазера 1,06 мкм, с0=5,7⋅103 м/с. Левая часть неравенств (12) и (13) равна 0,28. Видно, что для временной формы лазерного импульса, описываемой уравнением (1), условие термопрочности выполняется при а≥1,25, для временной формы лазерного импульса, описываемой уравнением (4) условие термопрочности выполняется при а≥2.In FIG. Figure 1 shows a graphical solution of inequalities (12) and (13) for SZS21 colored optical glass, for which σ BP = 6⋅10 7 Pa, K = 4⋅10 10 Pa, α T = 7.6⋅10 -6 K -1 , T ƒ = 770 K, T 0 = 300 K, s = 710 J / (kg⋅K), ρ = 2520 kg / m 3 , R = 0.04, χ = 21 cm -1 for laser wavelength 1, 06 μm, s 0 = 5.7⋅10 3 m / s. The left-hand side of inequalities (12) and (13) is 0.28. It is seen that for the temporary shape of the laser pulse described by equation (1), the condition of thermal strength is satisfied at a≥1.25, for the temporary shape of the laser pulse described by equation (4), the condition of thermal strength is satisfied at a≥2.

Пример реализации способа.An example implementation of the method.

Необходимо произвести лазерный отжиг поверхности оптического цветного стекла излучением лазера на длине волны 1,06 мкм. Длительность импульса составляет 1,2⋅10-7 с, временная форма лазерного импульса описывается уравнением (4). Безразмерный параметр а=1,43, ƒ1(1,43)>0,28. Условие термопрочности (12) не выполняется. Wƒ=41,7 Дж/см2. WT=28,5 Дж/см2. Расчеты выполнены по уравнениям (3) и (11) соответственно. Лазерный отжиг невозможен, так как материал будет разрушен термоупругими напряжениями. Для предотвращения разрушения материала произведем его предварительный нагрев до температуры не менее 488 К (то есть начальную температуру материала надо увеличить на 188 К). Расчет произведен по соотношению (14). Пусть материал будет нагрет до температуры 490 К. Теперь для нового значения начальной температуры Т0=490К, Wƒ=24,9 Дж/см2. Видно, что Wƒ меньше WT. Лазерный отжиг импульсом с временной формой, описываемой уравнением (4), возможен.It is necessary to perform laser annealing of the surface of optical colored glass by laser radiation at a wavelength of 1.06 μm. The pulse duration is 1.2⋅10 -7 s, the temporal shape of the laser pulse is described by equation (4). The dimensionless parameter a = 1.43, ƒ 1 (1.43)> 0.28. The thermal strength condition (12) is not satisfied. W ƒ = 41.7 J / cm 2 . W T = 28.5 J / cm 2 . The calculations were performed according to equations (3) and (11), respectively. Laser annealing is not possible, since the material will be destroyed by thermoelastic stresses. To prevent the destruction of the material, we will pre-heat it to a temperature of at least 488 K (that is, the initial temperature of the material must be increased by 188 K). The calculation is made according to the relation (14). Let the material be heated to a temperature of 490 K. Now for a new value of the initial temperature T 0 = 490 K, W ƒ = 24.9 J / cm 2 . It can be seen that W ƒ is less than W T. Laser annealing with a pulse with a time form described by equation (4) is possible.

Таким образом, вышеописанные отличия заявляемого способа лазерной обработки неметаллических материалов от прототипа позволяют исключить их разрушение термоупругими напряжениями при отжиге лазерным импульсом с временной формой, описываемой уравнением (4), и повысить выход годной продукции. Если требуется произвести легирование неметаллических материалов, то в приведенные формулы для определения неразрушающего режима обработки вместо температуры отжига следует подставлять температуру плавления материала.Thus, the above-described differences of the proposed method of laser processing of non-metallic materials from the prototype make it possible to eliminate their destruction by thermoelastic stresses during annealing by a laser pulse with a temporal shape described by equation (4) and to increase the yield of suitable products. If it is required to alloy non-metallic materials, then the melting temperature should be substituted for the annealing temperature instead of the annealing temperature in the above formulas.

Claims (22)

Способ лазерной обработки неметаллических материалов, включающий предварительный нагрев материала до определенной начальной температуры и облучение поверхности импульсом лазерного излучения, отличающийся тем, что температуру предварительного подогрева материала определяют из условия термопрочностиThe method of laser processing of non-metallic materials, including preheating the material to a certain initial temperature and irradiating the surface with a laser pulse, characterized in that the temperature of the preheating of the material is determined from the condition of heat resistance
Figure 00000020
Figure 00000020
 где σВР - предел прочности материала на растяжение, Па;where σ BP is the tensile strength of the material, Pa; К - модуль всестороннего сжатия материала, Па;K is the module of comprehensive compression of the material, Pa; αT - коэффициент линейного расширения материала, К-1;α T is the coefficient of linear expansion of the material, K -1 ; е - основание натурального логарифма;e is the base of the natural logarithm; а=χc0τ; a = χc 0 τ; χ - показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения, м-1;χ is the absorption coefficient of the material at a wavelength of laser radiation, m -1 ; с0 - скорость звука в материале, м/с;with 0 - the speed of sound in the material, m / s; τ - длительность лазерного импульса, с,τ is the duration of the laser pulse, s, при этом облучение осуществляют лазерным импульсом с плотностью энергии, определяемой по соотношениюirradiation is carried out with a laser pulse with an energy density determined by the ratio
Figure 00000021
Figure 00000021
 где Tƒ - температура отжига материала, К;where T ƒ is the annealing temperature of the material, K; Т0 - начальная температура материала после предварительного подогрева, К;T 0 - the initial temperature of the material after preheating, K; с - удельная теплоемкость материала, Дж/(кг⋅К);s - specific heat of the material, J / (kg⋅K); ρ - плотность материала, кг/м3;ρ is the density of the material, kg / m 3 ; R - коэффициент отражения материала на длине волны лазерного излучения,R is the reflection coefficient of the material at a wavelength of laser radiation, и временной формой лазерного импульса, которая описывается соотношениемand the temporal shape of the laser pulse, which is described by the relation
Figure 00000022
Figure 00000022
 где q(t) - плотность мощности лазерного излучения Вт/см2;where q (t) is the power density of the laser radiation W / cm 2 ; qm - амплитуда плотности мощности лазерного излучения Вт/см2;q m is the amplitude of the power density of the laser radiation W / cm 2 ; t - текущее время от начала воздействия, с.t is the current time from the onset of exposure, s.
RU2017103663A 2017-02-03 2017-02-03 Method of laser processing of nonmetallic materials RU2646177C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017103663A RU2646177C1 (en) 2017-02-03 2017-02-03 Method of laser processing of nonmetallic materials

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017103663A RU2646177C1 (en) 2017-02-03 2017-02-03 Method of laser processing of nonmetallic materials

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2646177C1 true RU2646177C1 (en) 2018-03-01

Family

ID=61568761

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017103663A RU2646177C1 (en) 2017-02-03 2017-02-03 Method of laser processing of nonmetallic materials

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2646177C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2695440C1 (en) * 2018-12-06 2019-07-23 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") Method of laser processing of non-metallic materials
RU2773255C2 (en) * 2020-11-05 2022-06-01 Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им.Н.Л.Духова» (ФГУП «ВНИИА») Method for laser processing of non-metallic materials

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4456812A (en) * 1982-07-30 1984-06-26 Armco Inc. Laser treatment of electrical steel
SU1299025A1 (en) * 1985-03-21 1995-11-27 Институт Физики Ан Усср Process of laser treatment
RU2211753C2 (en) * 2000-12-22 2003-09-10 Военная академия Ракетных войск стратегического назначения им. Петра Великого Method for working non-metallic materials
CN2707419Y (en) * 2004-03-12 2005-07-06 中国科学院力学研究所 Optical system for laser material surface treatment device
RU2583870C1 (en) * 2015-02-25 2016-05-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") Laser processing of nonmetallic plates

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4456812A (en) * 1982-07-30 1984-06-26 Armco Inc. Laser treatment of electrical steel
SU1299025A1 (en) * 1985-03-21 1995-11-27 Институт Физики Ан Усср Process of laser treatment
RU2211753C2 (en) * 2000-12-22 2003-09-10 Военная академия Ракетных войск стратегического назначения им. Петра Великого Method for working non-metallic materials
CN2707419Y (en) * 2004-03-12 2005-07-06 中国科学院力学研究所 Optical system for laser material surface treatment device
RU2583870C1 (en) * 2015-02-25 2016-05-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") Laser processing of nonmetallic plates

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2695440C1 (en) * 2018-12-06 2019-07-23 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") Method of laser processing of non-metallic materials
RU2773255C2 (en) * 2020-11-05 2022-06-01 Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им.Н.Л.Духова» (ФГУП «ВНИИА») Method for laser processing of non-metallic materials

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2583870C1 (en) Laser processing of nonmetallic plates
Colombier et al. Hydrodynamic simulations of metal ablation by femtosecond laser irradiation
Sano et al. Retardation of crack initiation and growth in austenitic stainless steels by laser peening without protective coating
RU2566138C2 (en) Laser processing of non-metallic materials
Ausin et al. Thermoluminescence and F-centre thermal annealing in heavily irradiated KCl and NaCl crystals
RU2646177C1 (en) Method of laser processing of nonmetallic materials
RU2602402C1 (en) Method of laser processing of nonmetallic plates
RU2573181C1 (en) Laser processing of non-metallic plates
RU2630197C1 (en) Method for laser annealing of non-metallic plates
RU2486628C1 (en) Method of processing nonmetallic materials
RU2695440C1 (en) Method of laser processing of non-metallic materials
RU2692004C1 (en) Method for laser annealing of nonmetallic materials
RU2773255C2 (en) Method for laser processing of non-metallic materials
RU2649054C1 (en) Method of laser processing of nonmetallic plates
RU2760764C1 (en) Method for laser processing of non-metallic plates
RU2624989C1 (en) Method of laser processing of non-metallic plates
RU2582849C1 (en) Method for laser punching through-hole in non-metal plate
RU2691923C1 (en) Method of laser processing of non-metallic plates
RU2649238C1 (en) Method of laser processing of nonmetallic plates
Altshuler et al. Application of ultrashort laser pulses in dentistry
RU2685427C1 (en) Method of laser processing of non-metallic plates
RU2574327C1 (en) Method for laser treatment of non-metallic materials
Huang et al. Effects of substrate on the femtosecond laser-induced damage properties of gold films
RU2624998C1 (en) Method of laser processing non-metallic plates
Pershin Nonlinear increase in the interaction efficiency of a second pulse with a target upon excitation of a plasma by a train of pulses from a Nd: YAG laser