Сверление стекла фемтосекундными лазерами стало еще лучше

Стекло! Это привередливая вещь. Чертовски сильный, но сколи его и взгляни на него не с той стороны, и у тебя останется куча острого мусора. Его одновременно обожают за четкость и плавность и порицают за то, насколько темпераментным он может быть в случае удара, будь то механического, термического или другого.

Если вы когда-нибудь пробовали сверлить стекло, вы знаете, что это непростая задача. Сделать это, не взломав его, примерно так же вероятно, как выиграть в лотерею на Марсе. Даже лазеры с этим не справляются. Однако исследовательская группа из Франции разработала новую технику, которая использует фемтосекундные лазеры для сверления микроскопических отверстий в стекле с минимальным сужением и без трещин! Гениально, нет?

Фемтосекундные лазеры — мощные и полезные инструменты, хотя они все еще достаточно неясны и требуют объяснения. Это лазеры, излучающие невероятно короткие импульсы, длительностью от 1 до нескольких сотен фемтосекунд. Если вы не знакомы с фемтосекундой, это 1 x 1015 секунд или одна миллионная наносекунды. Эти лазеры выделяют большое количество энергии за очень короткий период времени, что, если следовать физике, означает высокую пиковую мощность. Хотя эти лазеры могут стрелять одиночными импульсами, они также могут стрелять периодически с различной скоростью. Например, некоторые фемтосекундные лазеры могут излучать повторяющиеся ультракороткие импульсы с частотой гигагерца.

Эти лазеры предлагают возможность очень точно доставлять импульсы световой энергии высокой интенсивности. Это делает их очень полезными для решения очень тонких и деликатных задач, требующих разрушения очень небольших количеств материала путем того, что ученые называют абляцией. Импульсы высокой интенсивности способны уничтожать многие материалы, а короткая длительность фемтосекундных импульсов означает минимальное тепловое воздействие на окружающие области. Таким образом, фемтосекундные лазеры оказались полезными для самых разных задач: от лазерной хирургии глаза до различных задач микрообработки.

Однако когда дело доходит до сверления отверстий в стекле, фемтосекундные лазеры традиционно работают плохо. Обычные методы включают одиночные фемтосекундные импульсы, разнесенные на большой промежуток времени. Это имеет тенденцию создавать отверстия с ограниченным проникновением, которые также могут иметь значительную конусность и шероховатую внутреннюю поверхность. Новый метод — работа исследователей из Университета Бордо. Вместо этого он использует фемтосекундные импульсы, излучаемые гигагерцовыми импульсами, для сверления микроотверстий в стекле.

Согласно исследовательской работе, этот метод позволяет гораздо лучше обрабатывать микроскопические отверстия в стекле. Исследователям удалось получить глубокие отверстия без трещин с соотношением сторон до 37:1 в натриево-известковом стекле и до 73:1 в кварцевом стекле. Сами отверстия имели диаметр всего 27-52 мкм и глубину от 510 мкм до 1620 мкм. В случае с плавленым кварцем поверхность отверстий также была замечательного качества — она была «глянцевой и почти прозрачной», рассказала Photonics Media профессор Университета Бордо Инка Манек-Хеннингерто.

В исследовании команда использовала лазер Tangor 100 от Amplitude — фемтосекундный лазер, легированный иттербием. Лазер выдает максимальную среднюю мощность 100 Вт при длине волны 1030 нм, излучая 500 фемтосекундных импульсов. Чтобы просверлить отверстия, лазер выпускал пачки из пятидесяти импульсов длительностью 500 фс с частотой повторения 1 ГГц. Каждая пачка из пятидесяти импульсов длилась 50 наносекунд. Затем всплески повторялись с частотой 1 кГц. Это обеспечило достаточно времени между всплесками для рассеивания тепла, что позволило избежать создания зоны теплового воздействия в материале, окружающем отверстия. Команда отмечает, что нелинейное поглощение и совокупное тепловое воздействие лазерных всплесков являются ключом к созданию высококачественных отверстий. При повторяющихся интенсивных всплесках скорость абляции материала увеличивается, помогая создавать более глубокие и аккуратные отверстия.

Есть надежда, что этот метод может оказаться полезным для различных промышленных применений. Скорость техники ограничена, чтобы избежать повреждения стекла термическим воздействием. Однако, если есть приложение, требующее очень маленьких отверстий, аккуратно обработанных в натриевой извести или кварце, этот метод может быть именно тем, что вам нужно. Учитывая, что здесь используется готовое, хотя и современное, лазерное оборудование, оно должно быть легко воспроизведено другими лабораториями.