1. Obrada materijala femtosekundnim laserom - od bušenja do kontrolisanih šara
Bojan Radak, Biljana Gaković, Milan Trtica
Institut za nuklearne nauke VINČA

2. Obrada materijala laserom
Micromachining
Bušenje, sečenje, varenje, markiranje
Obrada površina (...šaranje)
Modifikovanje osobina površine (kaljenje)
Čišćenje i dekontaminacija
Sterilizacija

3. KARAKTERISTIKE DEJSTVA fs LASERSKOG IMPULSA
Impulsi su toliko kratki, da se završe pre nego što bilo kakvi relaksacioni procesi otpočnu.
Visoki intenziteti koji mogu da izazovu nelinearnu apsorpciju.

4. KRATKI IMPULSI
Impulsi su toliko kratki, da se završe pre nego što bilo kakvi relaksacioni procesi otpočnu.
200 fs
LASER --- elektron
1 ps
elektron --- elektron
Energija lasera se apsorbuje tako da se zagreju samo elektroni, dok joni rešetke ostaju hladni.
10 ps
elektron --- rešetka
100 ps – 100 ns
rešetka --- rešetka

5. VISOKI INTENZITET > 1012 W/cm2
I pri malim energijama impulsa, dostižu se intenziteti koji mogu da pokrenu nelinearne mehanizme apsorpcije.
Berov zakon ne važi, a može da dođe i do apsorpcije u materijalima koji tu talasnu dužinu inače ne apsorbuju.

6. Trodimenzionalno graviranje

7. ABLACIJA (OŠTEĆENJE) Visok intenzitet Mala energija  “čista” ablacija
200 fs
LASER --- elektron
1 ps
elektron --- elektron
10 ps
elektron --- rešetka
100 ps – 100 ns
rešetka --- rešetka

8. Čista ablacija (bez kolateralne štete)
Elektroni su “pregrejani”
Oni su odgovorni za ablaciju:
stvaraju plazmu i vrše pritisak na rešetku...
... razaraju je.

9. Ablacija sa kolateralnom štetom
Elektroni NISU pregrejani.
Predaju energiju rešetki, pa ona vrši ablaciju.
Kolateralna šteta od:
topljenja,
isparavanja,
hidrodinamičkih efekata

10. Prag oštećenja Fth Femtosekundni: Fth = fluens praga oštećenja
ρ= gustina
Ω= spec. toplota isparavanja
α= koeficijent apsorpcije
Ne zavisi od dužine impulsa!
Nanosekundni:
D= koeficijent difuzije
τ= vreme trajanja impulsa

11. Otvori manji od širine snopa

12. Kontrolisano bušenje slojeva
Al2O3
TiAlN
čelik
200 fs; 1,7 μ J

13. Profilometrijska analiza
200 fs, 10 μJ

14. Oštar prag po dubini
1,7 μJ
1,2 μJ

15. Bušenje visokom repeticijom

16. Paralelne površinske strukture (PSS, ripples)
Šaranje (patterning)
Paralelne površinske strukture (PSS, ripples)

17. Uzrok formiranja ? Talasi su normalni na vektor polarizacije.
Teorija o interakciji rasejanih zraka sa upadnim laserom
Period d proporcionalan je talasnoj dužini lasera λ:
η = efektivni indeks prelamanja
θ= upadni ugao snopa

18. Sub-λ periode Laser: 40 ps Talasna dužina lasera λ Period šara d
1064 nm
800 nm
532 nm
400 nm
266 nm
200 nm
Teorija: interakcija površinskih plazmona sa upadnim laserom.
Sa većim brojem impulsa
perioda se smanjuje.

19. Skeniranje laserom
Steel OCR 60 - AISI 440B (Cr) and scan with 200 fs pulses
at 755 nm, 2 kHz
Scan speed s = 0.05, 0.1, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 and 1 cm/s
(denoted 1-7)
Energy per pulse Ep=0.9, 1.25, 1.75, 2.7, 3.6 µJ
Fluence: 0.84, 0.116, 0.163, 0.251, J/cm2
(denoted A,B,C,D, E)
Average power density 0.5  I  36.7 W/cm2
Spot diameter = 37 m (1/e2) E s

20. Steel AISI 440B (Cr) and scan with 200 fs pulses at 755 nm, 2 kHz

21. Steel AISI 440B (Cr) and scan with 200 fs pulses at 755 nm, 2 kHz

22. Periodičnost u funkciji energije i broja impulsa
energija [J]
period [m]
v = 0.5 mm/s
v = 1 mm/s
v = 2 mm/s
v = 4 mm/s
v = 6 mm/s
v = 8 mm/s
v = 10 mm/s
0.9 -
1.2
0.309
0.328
0.148
0.108 (naziru se)
1.7
0.354
0.336
0.343
0.632 (udvojene)
2.7
0.372
0.342
0.377
0.554
0.634
0.651
0.655
3.6
0.413
0.432
0.565(udvojene)
0.581
0.603
0.609
0.627
Impulsa
N = 148
N= 74
N=37
N=18.5
N=12.3
N=9
N=7.4

23. AFM slike slojevite strukture (Al/Ti)x8/Si posle 200 laserskih impulsa od 150 ps.

24. Upotreba za holografsko markiranje ?

25. Tim dr Suzana Petrović dr Jelena Stašić dr Davor Peruško
mr Dubravka Milovanović
dr Peter Panjan et al. (SLO)
dr Ion Mihailescu et al. (RO)
dr Dmitri Batani et al. (IT)
dr Aleksandar Krmpot
dr Brana Jelenković
dr Aleksandar Kovačević
...