RU2763362C1 - Method for laser annealing of non-metallic materials - Google Patents

Method for laser annealing of non-metallic materials Download PDF

Info

Publication number
RU2763362C1
RU2763362C1 RU2020136238A RU2020136238A RU2763362C1 RU 2763362 C1 RU2763362 C1 RU 2763362C1 RU 2020136238 A RU2020136238 A RU 2020136238A RU 2020136238 A RU2020136238 A RU 2020136238A RU 2763362 C1 RU2763362 C1 RU 2763362C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
pulse
laser
laser pulse
metallic materials
power density
Prior art date
Application number
RU2020136238A
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 RU2020136238A priority Critical patent/RU2763362C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2763362C1 publication Critical patent/RU2763362C1/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
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/40—Removing material taking account of the properties of the material involved
    • B23K26/402—Removing material taking account of the properties of the material involved involving non-metallic material, e.g. isolators
    • 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
    • B23K26/50—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece
    • B23K26/53—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece for modifying or reforming the material inside the workpiece, e.g. for producing break initiation cracks
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B25/00—Annealing glass products
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
    • C21D1/09—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

FIELD: shaping.
SUBSTANCE: invention relates to a method for laser annealing of non-metallic materials and can be used for processing semiconductor, ceramic and glass-like materials. The surface is irradiated with a laser pulse of rectangular temporary shape with the required energy density. The initial laser pulse is divided by a dielectric mirror into two pulses and a time delay of the second pulse is conducted for the duration of the first pulse. The power density in the first pulse is 70% of the power density of the initial laser pulse.
EFFECT: increase in the yield of useful products in the process of laser annealing of non-metallic materials due to the reduction in the thermoelastic stresses and the area of possible spallation fracture of the material.
1 cl, 3 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к технологическим процессам и может быть использовано для лазерного отжига полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.The invention relates to technological processes and can be used for laser annealing of semiconductor, ceramic and glassy materials.

Известен способ обработки неметаллических материалов, заключающийся в облучении их поверхности лазерным импульсом прямоугольной временной формы с плотностью энергии, определяемой по уравнениюA known method of processing non-metallic materials, which consists in irradiating their surface with a laser pulse of a rectangular time shape with an energy density determined by the equation

Figure 00000001
, (1)
Figure 00000001
 , (one)

где Tf - температура отжига;where T f is the annealing temperature;

T0 - начальная температура;T 0 - initial temperature;

с и ρ - удельная теплоемкость и плотность материала соответственно;c and ρ - specific heat and density of the material, respectively;

R - коэффициент отражения материала;R is the reflection coefficient of the material;

χ - показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения.χ is the absorption index of the material at the laser wavelength.

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. Недостатком способа является то, что возникающие в материале термоупругие напряжения могут привести к разрушению материала вследствие откола со стороны облучаемой поверхности.Bakeev AA, Sobolev AP, Yakovlev VI Studies of thermoelastic stresses arising in an absorbing layer of a substance under the action of a laser pulse. - PMTF. - 1982 - No. 6. - S. 92-98. The disadvantage of this method is that the thermoelastic stresses arising in the material can lead to the destruction of the material due to spalling from the side of the irradiated surface.

Известен также способ лазерного отжига неметаллических материалов, заключающийся в облучении их поверхности лазерным импульсом прямоугольной временной формы с плотностью энергии, определяемой по уравнению (1), при этом диэлектрическим зеркалом с коэффициентом отражения 50 % исходный лазерный импульс делят на два импульса равной мощности и осуществляют временную задержку второго импульса на время действия первого импульса. Патент РФ № 2633860, МПК B23K 26/402, 18.10.2017. При этом временная форма лазерного импульса, воздействующего на поверхность обрабатываемого материала, будет описываться уравнениемThere is also known a method of laser annealing of non-metallic materials, which consists in irradiating their surface with a laser pulse of a rectangular temporal shape with an energy density determined by equation (1), while using a dielectric mirror with a reflection coefficient of 50%, the initial laser pulse is divided into two pulses of equal power and a temporary delay of the second pulse for the duration of the first pulse. RF patent No. 2633860, IPC B23K 26/402, 10/18/2017. In this case, the time shape of the laser pulse acting on the surface of the processed material will be described by the equation

Figure 00000002
, (2)
Figure 00000002
 , (2)

где q - плотность мощности в исходном лазерном импульсе;where q is the power density in the initial laser pulse;

t - текущее время от начала воздействия;t - current time from the beginning of exposure;

τ - длительность исходного лазерного импульса.τ is the duration of the initial laser pulse.

Недостатком способа является то, что возникающие в материале термоупругие напряжения могут привести к разрушению материала вследствие откола со стороны облучаемой поверхности.The disadvantage of this method is that the thermoelastic stresses arising in the material can lead to the destruction of the material due to spalling from the side of the irradiated surface.

Известен также способ лазерного отжига неметаллических материалов, включающий облучение поверхности материала лазерным импульсом прямоугольной временной формы с плотностью энергии, которую определяют по уравнению (1), при этом исходный лазерный импульс делят на два импульса посредством диэлектрического зеркала с коэффициентом отражения 40% и осуществляют временную задержку отраженного импульса на время воздействия на материал прошедшего через диэлектрическое зеркало лазерного импульса. Патент РФ № 2692004, МПК B23K26/402, B23K26/53, 19.06.2019. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.There is also known a method for laser annealing of non-metallic materials, which includes irradiating the surface of the material with a laser pulse of a rectangular time shape with an energy density, which is determined by equation (1), while the initial laser pulse is divided into two pulses by means of a dielectric mirror with a reflection coefficient of 40% and a time delay is performed of the reflected pulse for the time of exposure to the material of the laser pulse passed through the dielectric mirror. RF patent No. 2692004, IPC B23K26/402, B23K26/53, 06/19/2019. This technical solution is accepted as a prototype.

При этом временная форма воздействующего на материал лазерного импульса будет описываться уравнениемIn this case, the time shape of the laser pulse acting on the material will be described by the equation

Figure 00000003
. (3)
Figure 00000003
 . (3)

Недостатком прототипа является то, что возникающие в материале термоупругие напряжения могут привести к разрушению материала вследствие откола со стороны облучаемой поверхности.The disadvantage of the prototype is that arising in the material thermoelastic stresses can lead to the destruction of the material due to spall from the irradiated surface.

Техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение выхода годной продукции в процессе лазерного отжига неметаллических материалов за счет уменьшения термоупругих напряжений и области возможного откольного разрушения материала.The technical result of the proposed invention is to increase the yield of suitable products in the process of laser annealing of non-metallic materials by reducing thermoelastic stresses and the area of possible spall fracture of the material.

Технический результат достигается тем, что в способе лазерного отжига неметаллических материалов, заключающемся в облучении их поверхности лазерным импульсом прямоугольной временной формы с плотностью энергии, определяемой по уравнениюThe technical result is achieved by the fact that in the method of laser annealing of non-metallic materials, which consists in irradiating their surface with a laser pulse of a rectangular time shape with an energy density determined by the equation

Figure 00000001
,
Figure 00000001
 ,

где Tf - температура отжига;where T f is the annealing temperature;

T0 - начальная температура;T 0 - initial temperature;

с и ρ - удельная теплоемкость и плотность материала соответственно;c and ρ - specific heat and density of the material, respectively;

R - коэффициент отражения материала;R is the reflection coefficient of the material;

χ - показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения,χ - absorption index of the material at the wavelength of laser radiation,

при этом диэлектрическим зеркалом исходный лазерный импульс делят на два импульса и осуществляют временную задержку второго импульса на время действия первого импульса, разделяют исходный лазерный импульс посредством диэлектрического зеркала с коэффициентом отражения 30 %, и при этом плотность мощности первого импульса устанавливают 70 % от плотности мощности исходного лазерного импульса.at the same time, the initial laser pulse is divided by a dielectric mirror into two pulses and the second pulse is temporarily delayed for the duration of the first pulse, the initial laser pulse is separated by means of a dielectric mirror with a reflection coefficient of 30%, and the power density of the first pulse is set to 70% of the power density of the original laser pulse.

Ниже приводится более подробное описание способа лазерного отжига неметаллических материалов со ссылкой на фиг. 1-3.The following is a more detailed description of the method for laser annealing of non-metallic materials with reference to FIG. 1-3.

На фиг. 1 представлена установка для лазерной обработки, позволяющая реализовать заявленный способ: 1 - лазер с модулятором добротности на основе акустооптического затвора, 2 - диэлектрическое зеркало с коэффициентом отражения 30%, 3 - диэлектрическое зеркало с коэффициентом отражения 99,9 %, 4 - обрабатываемый материал, 5 и 6 - фокусирующие линзы, создающие на поверхности обрабатываемого материала 4 требуемую плотность энергии. Диэлектрическим зеркалом 2 лазерный импульс делится на два импульса с плотностью мощности 0,7q и 0,3q (q - плотность мощности лазерного излучения в исходном импульсе). Прошедший через зеркало 2 первый импульс с плотностью мощности 0,7q линзой 5 фокусируется на поверхность обрабатываемого материала 4 в пятно требуемого диаметра. Отраженный зеркалом 2 второй импульс с плотностью мощности 0,3q направляют на диэлектрическое зеркало 3 с коэффициентом отражения 99,9%, которое совмещает отраженный импульс на поверхности обрабатываемого материала 4 с импульсом, прошедшим через зеркало 2. Линзой 6 второй импульс фокусируется в пятно требуемого диаметра. Разница длин путей первого и второго лазерных импульсов обеспечивает задержку второго импульса на время воздействия первого импульса на поверхность обрабатываемого материала. В результате на поверхность обрабатываемого материала воздействует лазерный импульс, временная форма которого описывается уравнением:In FIG. Figure 1 shows a laser processing unit that makes it possible to implement the claimed method: 1 - a laser with a Q-switch based on an acousto-optic shutter, 2 - a dielectric mirror with a reflection coefficient of 30%, 3 - a dielectric mirror with a reflection coefficient of 99.9%, 4 - the material being processed, 5 and 6 - focusing lenses that create the required energy density on the surface of the processed material 4. Dielectric mirror 2 divides the laser pulse into two pulses with a power density of 0.7q and 0.3q (q is the power density of the laser radiation in the initial pulse). The first pulse passing through the mirror 2 with a power density of 0.7q is focused by the lens 5 onto the surface of the processed material 4 into a spot of the required diameter. The second pulse reflected by the mirror 2 with a power density of 0.3q is directed to a dielectric mirror 3 with a reflection coefficient of 99.9%, which combines the reflected pulse on the surface of the processed material 4 with the pulse transmitted through the mirror 2. Lens 6 focuses the second pulse into a spot of the required diameter . The difference in the lengths of the paths of the first and second laser pulses provides a delay of the second pulse for the duration of the impact of the first pulse on the surface of the material being processed. As a result, the surface of the processed material is affected by a laser pulse, the temporal shape of which is described by the equation:

Figure 00000004
. (4)
Figure 00000004
 . (4)

Сравним воздействие на поверхность обрабатываемого материала двух лазерных импульсов равной плотности энергии, временная форма которых описывается уравнениями (3) и (4).Let us compare the effect on the surface of the processed material of two laser pulses of equal energy density, the temporal shape of which is described by equations (3) and (4).

В соответствии с [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], максимальные растягивающие напряжения в поглощающем слое материала рассчитывают по уравнению:In accordance with [Bakeev A.A., Sobolev A.P., Yakovlev V.I. Investigation of thermoelastic stresses arising in an absorbing layer of a substance under the action of a laser pulse. PMTF. - 1982. - No. 6. - S. 92-98], the maximum tensile stresses in the absorbing layer of the material are calculated by the equation:

Figure 00000005
, (5)
Figure 00000005
 , (5)

где

Figure 00000006
- максимальные растягивающие напряжения в поглощающем слое материала;where
Figure 00000006
 - maximum tensile stresses in the absorbing layer of the material;

K - модуль всестороннего сжатия;K - modulus of all-round compression;

α - коэффициент линейного расширения материала;α - coefficient of linear expansion of the material;

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

sh(χx) - функция «гиперболический синус»;sh(χx) - "hyperbolic sine" function;

χ - показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения;χ is the absorption index of the material at the wavelength of laser radiation;

х - координата, отсчитываемая от поверхности материала вглубь;x is the coordinate measured from the surface of the material in depth;

с0 - скорость звука в материале;c 0 - speed of sound in the material;

τ - длительность лазерного импульса.τ is the duration of the laser pulse.

Подставив уравнения (3) и (4) в (5) и выполнив интегрирования получим уравнения для расчета максимальных растягивающих напряжений в поглощающем слое обрабатываемого материала:Substituting equations (3) and (4) into (5) and performing integration, we obtain equations for calculating the maximum tensile stresses in the absorbing layer of the processed material:

Figure 00000007
; (6)
Figure 00000007
 ; (6)

Figure 00000008
, (7)
Figure 00000008
 , (7)

где

Figure 00000009
- максимальные растягивающие напряжения в поглощающем слое материала при воздействии лазерного импульса с временной формой, описываемой уравнением (3); where
Figure 00000009
 - maximum tensile stresses in the absorbing layer of the material under the action of a laser pulse with a time shape described by equation (3);

Figure 00000010
- максимальные растягивающие напряжения в поглощающем слое материала при воздействии лазерного импульса с временной формой, описываемой уравнением (4).
Figure 00000010
 - maximum tensile stresses in the absorbing layer of the material under the influence of a laser pulse with a time shape described by equation (4).

Разделив (7) на (6) и проведя математические преобразования, получимDividing (7) by (6) and performing mathematical transformations, we obtain

Figure 00000011
. (8)
Figure 00000011
 . (eight)

На фиг. 2 приведен график зависимости

Figure 00000012
, построенный по соотношению (8). Видно, что отношение
Figure 00000013
. Причем по мере возрастания параметра
Figure 00000014
 отношение уменьшается и стремится к 0,75. Это доказывает, что лазерный импульс, описываемый уравнением (4), создает в материале максимальные растягивающие напряжения меньше, чем лазерный импульс, описываемый уравнением (3).In FIG. 2 is a dependency graph
Figure 00000012
 , constructed by relation (8). It can be seen that the ratio
Figure 00000013
 . Moreover, as the parameter increases
Figure 00000014
 the ratio decreases and tends to 0.75. This proves that the laser pulse described by equation (4) creates maximum tensile stresses in the material less than the laser pulse described by equation (3).

Из уравнений (6) и (7) определим плотность энергии лазерного излучения, вызывающую откольное разрушение материала со стороны облучаемой поверхности для воздействия лазерных импульсов, описываемых уравнениями (3) и (4) соответственно:From equations (6) and (7), we determine the energy density of laser radiation, which causes spall fracture of the material from the side of the irradiated surface for the action of laser pulses described by equations (3) and (4), respectively:

Figure 00000015
; (9)
Figure 00000015
 ; (9)

Figure 00000016
, (10)
Figure 00000016
 , (10)

где σР - предел прочности материала на разрыв.where σ R is the tensile strength of the material.

Уравнения (9) и (10) получены для минимальных значений плотностей энергии, когда

Figure 00000017
.Equations (9) and (10) were obtained for the minimum energy densities when
Figure 00000017
 .

Плотность энергии лазерного излучения, необходимую для достижения поверхностью материала температуры отжига, определяют по уравнению (1). Разделив (9) и (10) соответственно на (1), получим:The energy density of laser radiation required for the surface of the material to reach the annealing temperature is determined by equation (1). Dividing (9) and (10), respectively, by (1), we get:

Figure 00000018
; (11)
Figure 00000018
 ; (eleven)

Figure 00000019
. (12)
Figure 00000019
 . (12)

Поставив условие

Figure 00000020
и
Figure 00000021
, после математических преобразований получим:Setting the condition
Figure 00000020
 and
Figure 00000021
 , after mathematical transformations we get:

Figure 00000022
; (13)
Figure 00000022
 ; (thirteen)

Figure 00000023
. (14)
Figure 00000023
 . (14)

Проведем анализ неравенств (13) и (14). Левые части неравенств является характеристикой материала, показывающей отношение предела прочности материала на разрыв к максимальным растягивающим напряжениям, возникающим при импульсном нагреве материала до температуры отжига. Правые части неравенств (13) и (14) являются функциями безразмерного параметра

Figure 00000024
и зависят от временной формы лазерного импульса. Если неравенства (13) и (14) выполняются, то возможен лазерный отжиг материала. В противном случае произойдет откольное разрушение материала. Анализ неравенств (13) и (14) необходимо проводить для конкретных материалов. Например, для стекла СЗС-21, у которого К=4⋅1010 Па, α=8,6⋅10-6 К-1, σР = 6⋅107 Па, Тf = 700 K, Т0 = 300 К, левая часть неравенств (13) и (14) равна 29. Показатель поглощения стекла СЗС-21 на длине волны 1,06 мкм составляет 22,4 см-1, скорость звука в материале - 5,7⋅103 м/с.Let us analyze inequalities (13) and (14). The left parts of the inequalities are the characteristics of the material, showing the ratio of the tensile strength of the material to the maximum tensile stresses that occur during pulsed heating of the material to the annealing temperature. The right parts of inequalities (13) and (14) are functions of the dimensionless parameter
Figure 00000024
 and depend on the time shape of the laser pulse. If inequalities (13) and (14) are satisfied, then laser annealing of the material is possible. Otherwise, spall fracture of the material will occur. The analysis of inequalities (13) and (14) must be carried out for specific materials. For example, for SZS-21 glass, for which K=4⋅10 10 Pa, α=8.6⋅10 -6 K -1 , σ P = 6⋅10 7 Pa, T f = 700 K, T 0 = 300 K, the left side of inequalities (13) and (14) is equal to 29. The absorption index of SZS-21 glass at a wavelength of 1.06 μm is 22.4 cm -1 , the speed of sound in the material is 5.7⋅10 3 m/s .

На фиг. 3 приведено графическое решение неравенств (13) и (14) для цветного оптического стекла СЗС-21. Видно, что при воздействии лазерного импульса, временная форма которого описывается уравнением (3), неравенство (13) выполняется при

Figure 00000024
≥ 1,4, что соответствует длительности лазерного импульса τ ≥ 1,1⋅10-7 с. Неравенство (14) для лазерного импульса, временная форма которого описывается уравнением (4), выполняется при
Figure 00000024
 ≥ 1,25, что соответствует длительности лазерного импульса τ≥0,98⋅10-7 с.In FIG. Figure 3 shows a graphical solution of inequalities (13) and (14) for colored optical glass SZS-21. It can be seen that under the action of a laser pulse whose time shape is described by Eq. (3), inequality (13) is satisfied for
Figure 00000024
 ≥ 1.4, which corresponds to the duration of the laser pulse τ ≥ 1.1⋅10 -7 s. Inequality (14) for a laser pulse whose time shape is described by equation (4) is satisfied for
Figure 00000024
 ≥ 1.25, which corresponds to the duration of the laser pulse τ≥0.98⋅10 -7 s.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет уменьшить максимальные растягивающие напряжения примерно на 20-25 % и область изменения безразмерного параметра

Figure 00000024
, в которой возможно откольное разрушение материала, что позволит увеличить выход годной продукции при лазерном отжиге неметаллических материалов.Thus, the proposed technical solution makes it possible to reduce the maximum tensile stresses by about 20-25% and the range of the dimensionless parameter
Figure 00000024
 , in which spall fracture of the material is possible, which will increase the yield of suitable products during laser annealing of non-metallic materials.

Пример реализации способа.An example of the implementation of the method.

Необходимо произвести лазерный отжиг поверхности оптического цветного стекла СЗС-21 импульсным лазером с длиной волны 1,06 мкм и длительностью импульса 100 нс. Требуемая плотность энергии на поверхности материала составляет 35,3 Дж/см2. Расчет проведен при R=0,04, с = 0,76⋅103 Дж/(кг⋅К) и ρ = 2,5⋅103 кг/м3 по уравнению (1). При этом плотность энергии, вызывающая откольное разрушение материала со стороны облучаемой поверхности лазерным импульсом, описываемым уравнением (3) составит 32 Дж/см2. Расчеты проведены по уравнению (9). Следовательно, лазерный отжиг не возможен, так как произойдет разрушение материала. Разделим исходный лазерный импульс с помощью диэлектрического зеркала (2) с коэффициентом отражения 30% на два импульса с плотностью мощности 70 % и 30 %. Лазерный импульс с плотностью мощности 70 % от исходного воздействует на обрабатываемый материал. При этом фокусирующая линза (5) создает требуемую плотность энергии на поверхности обрабатываемого материала. Отраженный зеркалом (2) лазерный импульс с плотностью мощности 30 % от исходной диэлектрическим зеркалом (3) с коэффициентом отражения 99,9% направляется на обрабатываемый материал. Собирающей линзой (6) осуществляется повышение плотности мощности в импульсе до требуемой. При этом за счет дополнительного пути происходит задержка второго импульса на время действия первого импульса. Плотность энергии, вызывающая откольное разрушение материала в этом случае составит 37 Дж/см2. Следовательно, можно осуществлять лазерный отжиг материала. Расчеты проведены по уравнению (10).It is necessary to perform laser annealing of the surface of SZS-21 optical colored glass with a pulsed laser with a wavelength of 1.06 μm and a pulse duration of 100 ns. The required energy density on the surface of the material is 35.3 J/cm 2 . The calculation was carried out at R=0.04, c = 0.76⋅10 3 J/(kg⋅K) and ρ = 2.5⋅10 3 kg/m 3 according to equation (1). The energy density that causes the spall fracture material from the irradiated surface of the laser pulse, described by equation (3) amount to 32 J / cm 2. The calculations were carried out according to equation (9). Therefore, laser annealing is not possible, since the destruction of the material will occur. Let us divide the initial laser pulse using a dielectric mirror (2) with a reflection coefficient of 30% into two pulses with a power density of 70% and 30%. A laser pulse with a power density of 70% of the original affects the material being processed. In this case, the focusing lens (5) creates the required energy density on the surface of the processed material. The laser pulse reflected by the mirror (2) with a power density of 30% of the original one is directed to the material being processed by the dielectric mirror (3) with a reflection coefficient of 99.9%. The converging lens (6) increases the power density in the pulse to the required one. In this case, due to the additional path, the second pulse is delayed for the duration of the first pulse. The energy density, causing spall fracture material in this case is 37 J / cm 2. Therefore, it is possible to carry out laser annealing of the material. The calculations were carried out according to equation (10).

Как правило, лазеры с модуляцией добротности акустооптическими затворами работают в частотном режиме. Частота повторения импульсов составляет 1-8 кГц. Это позволяет производить лазерный отжиг поверхностей большой площади за счет перемещения заготовки после каждого импульса на требуемое расстояние.As a rule, lasers with Q-switching by acousto-optical switches operate in the frequency mode. The pulse repetition frequency is 1-8 kHz. This allows laser annealing of large area surfaces by moving the workpiece after each pulse to the required distance.

Claims (4)

Способ лазерного отжига неметаллических материалов, включающий облучение поверхности неметаллического материала лазерным импульсом прямоугольной временной формы с плотностью энергии Wf, которую определяют по следующему соотношениюA method for laser annealing of non-metallic materials, including irradiating the surface of a non-metallic material with a laser pulse of a rectangular time shape with an energy density W f , which is determined by the following relationship
Figure 00000025
,
Figure 00000025
 , где where T f – температура отжига, K; T 0 – начальная температура, K; с – удельная теплоемкость, Дж/(кг·К); ρ - плотность материала, кг/м3; R – коэффициент отражения материала; χ – показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения, см-1, при этом исходный лазерный импульс делят на два импульса посредством диэлектрического зеркала и осуществляют временную задержку второго импульса на время действия первого импульса, отличающийся тем, что плотность мощности в первом импульсе устанавливают равной 70 % от плотности мощности исходного лазерного импульса. T f - annealing temperature, K; T 0 is the initial temperature, K; с – specific heat capacity, J/(kg K); ρ is the density of the material, kg/m 3 ; R is the reflection coefficient of the material; χ is the absorption index of the material at the wavelength of laser radiation, cm -1 , while the initial laser pulse is divided into two pulses by means of a dielectric mirror and the second pulse is temporarily delayed for the duration of the first pulse, characterized in that the power density in the first pulse is set equal to 70% of the power density of the initial laser pulse.
RU2020136238A 2020-11-05 2020-11-05 Method for laser annealing of non-metallic materials RU2763362C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020136238A RU2763362C1 (en) 2020-11-05 2020-11-05 Method for laser annealing of non-metallic materials

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020136238A RU2763362C1 (en) 2020-11-05 2020-11-05 Method for laser annealing of non-metallic materials

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2763362C1 true RU2763362C1 (en) 2021-12-28

Family

ID=80039831

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020136238A RU2763362C1 (en) 2020-11-05 2020-11-05 Method for laser annealing of non-metallic materials

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2763362C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6545248B2 (en) * 2001-03-16 2003-04-08 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Laser irradiating apparatus
RU2211753C2 (en) * 2000-12-22 2003-09-10 Военная академия Ракетных войск стратегического назначения им. Петра Великого Method for working non-metallic materials
CN203900744U (en) * 2014-06-20 2014-10-29 上海和辉光电有限公司 Laser annealing equipment
US20150357215A1 (en) * 2008-09-17 2015-12-10 Applied Materials, Inc. Managing thermal budget in annealing of substrates
RU2692004C1 (en) * 2018-06-20 2019-06-19 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") Method for laser annealing of nonmetallic materials

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2211753C2 (en) * 2000-12-22 2003-09-10 Военная академия Ракетных войск стратегического назначения им. Петра Великого Method for working non-metallic materials
US6545248B2 (en) * 2001-03-16 2003-04-08 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Laser irradiating apparatus
US20150357215A1 (en) * 2008-09-17 2015-12-10 Applied Materials, Inc. Managing thermal budget in annealing of substrates
CN203900744U (en) * 2014-06-20 2014-10-29 上海和辉光电有限公司 Laser annealing equipment
RU2692004C1 (en) * 2018-06-20 2019-06-19 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") Method for laser annealing of nonmetallic materials

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Berthe et al. Shock waves from a water-confined laser-generated plasma
Semerok et al. Femtosecond, picosecond, and nanosecond laser microablation: Laser plasma and crater investigation
Tollier et al. Study of the laser-driven spallation process by the velocity interferometer system for any reflector interferometry technique. I. Laser-shock characterization
RU2018102523A (en) METHOD AND DEVICE FOR REDUCING PHOTOELECTRON OUTPUT AND / OR SECONDARY ELECTRON OUTPUT
Tümmler et al. 10-Hz grazing–incidence pumped Ni-like Mo x-ray laser
CN108817675B (en) Femtosecond laser shock peening enhancement method based on electronic dynamic regulation
Bornschlegel et al. In-situ analysis of ultrashort pulsed laser ablation with pulse bursts
RU2633860C1 (en) Method of laser annealing of non-metallic materials
Mackinnon et al. Quantitative study of the ionization-induced refraction of picosecond laser pulses in gas-jet targets
RU2692004C1 (en) Method for laser annealing of nonmetallic materials
RU2763362C1 (en) Method for laser annealing of non-metallic materials
RU2785420C1 (en) Method for laser annealing of non-metallic materials
Kudryashov et al. Femtosecond laser ablation of carbon: From spallation to formation of hot critical plasma
Ostertag et al. Laser ablation as a function of the primary absorber in dentin
RU2630197C1 (en) Method for laser annealing of non-metallic plates
RU2688656C1 (en) Method of cutting brittle non-metallic materials
RU2582849C1 (en) Method for laser punching through-hole in non-metal plate
RU2773255C2 (en) Method for laser processing of non-metallic materials
RU2760764C1 (en) Method for laser processing of non-metallic plates
RU2647387C2 (en) Method of laser drilling of through holes in non-metallic plate
RU2695440C1 (en) Method of laser processing of non-metallic materials
RU2646177C1 (en) Method of laser processing of nonmetallic materials
Berthe et al. Laser shock processing of materials: study of laser-induced breakdown in water confinement regime
Petkov Factors influencing laser material removal process in micro cavity manufacturing
RU2763276C1 (en) Method for laser punching of through hole in non-metal plate