Medžiagų apdirbimas lazeriais sukėlė revoliuciją
Lazerinio apdirbimo procesas pagrįstas gana paprastu principu: intensyvią lazerio spinduliuotę sugeria medžiaga, kuri, staigiai gavusi didelį kiekį energijos, ima keistis. Ji lydosi ir garuoja, ỹra ar inicijuoja kitokius fizikinius ar cheminius procesus. Šie procesai keičia medžiagos savybes. Kontroliuojant spinduliuotės intensyvumą ir lęšiais bei veidrodžiais fokusuojant ir tiksliai lokalizuojant lazerio pluoštą, medžiagos paviršiuje gana nesunkiai galima pasiekti mikrometrinį apdirbimo tikslumą, kuris nepasiekiamas tradiciniais metodais.
Jei medžiaga geba sugerti krintančią spinduliuotę, ją apdirbti lazeriais nėra labai sudėtinga. Tačiau ką daryti su skaidriomis medžiagomis? Įvairūs stiklai, skaidrūs kristalai ar polimerai gali pasižymėti unikaliomis savybėmis ir yra nepakeičiami šiuolaikinėje pramonėje, moksle ir gyvenime. Šių medžiagų lazerinis apdirbimas tampa sudėtingesnis, nes tiesiogiai perduoti lazerio energijos medžiagai nebepavyksta.
Aišku, nėra tokių medžiagų, kurios būtų skaidrios visame elektromagnetinių bangų spektre, todėl visada galima parinkti tokią spinduliuotę, kuri būtų gerai sugeriama.
Pramonėje plačiai paplitęs stiklų raižymas infraraudonaisiais CO2 lazeriais nedaug lenkia mechaninius pjovimo būdus ir neleidžia užtikrinti aukštos apdirbimo kokybės, o ultravioletinių lazerių panaudojimas nėra toks efektyvus, kaip norėtųsi. Todėl stiklų lazerinis apdirbimas ilgą laiką buvo probleminis.
Išeitis – femtosekundiniai lazeriai
Situacija smarkiai pasikeitė, kai mokslininkams pavyko sukurti patikimus lazerius, gebančius spinduliuoti itin trumpus šviesos impulsus. Galingi lazerių blykstelėjimai, tetrunkantys kelis šimtus femtosekundžių (šie impulsai dar vadinami ultratrumpaisiais), leido pasiekti tokius spinduliuotės intensyvumus, kurie medžiagose „įjungia“ naujus sugerties mechanizmus.
Pasirodė, kad įprastai spinduliuotei skaidrios terpės absorbuoja didelio intensyvumo impulsus ir taip išsprendžia jau minėtą energijos perdavimo problemą. Pats sugerties procesas yra netiesinis – sugertis medžiagoje „įsijungia“ tik tada, kai viršijama tam tikra slenkstinė intensyvumo vertė. Lęšiais fokusuojant lazerio pluoštą gana nesunkiai galima pasiekti, kad šis slenkstis būtų viršijamas tik nedidelėje erdvės srityje lęšio židinio aplinkoje. Tai reiškia, jog tiksliai perduoti šviesos energiją medžiagai galime ne tik jos paviršiuje, bet ir tūryje. Taip įgyvendinamas trimatis skaidrių medžiagų apdirbimas.
Femtosekundiniai lazeriai ne tik pateisino lūkesčius medžiagų apdirbimo technologijoje, bet gerokai išplėtė jų taikymo galimybes, ypač dirbant su skaidriomis medžiagomis.
Kodėl mokslininkams įdomus stiklas? Stiklas – unikali medžiaga. Daugelis stiklų gali būti skaidresni už orą ir tvirtesni už plieną. Nenuostabu, kad šias savybes mokslininkai nori kuo plačiau panaudoti.
Pagrindinė stiklų „problema“ – didelis jų trapumas. Nors amorfinės medžiagos yra gana elastingos (palyginamos su metalais), jos geba atlaikyti tik tampriąsias deformacijas, t.y. metalai po per didelio mechaninio poveikio gali likti deformuoti, o stiklas skyla arba dūžta.
Tačiau mažų matmenų dariniuose, pavyzdžiui, optiniuose šviesolaidžiuose, stiklų elastingumas yra akivaizdus. Maždaug šimto mikrometrų storio stiklinė šviesolaidžio šerdis, sudaranti šviesolaidžio pagrindą, sėkmingai lankstoma nepatiria negrįžtamų deformacijų, o norint ją sudaužyti reiktų labai pavargti. Tai įtikina, kad stiklas yra puiki medžiaga mikromechaniniams elementams kurti. Belieka išmokti juos gaminti.
Stiklai yra labai svarbūs optikos ir fotonikos moksle. Todėl nenuostabu, kad mikrooptikos ir nanofotonikos pasiekimai yra itin įdomūs ir laukiami miniatiūrizuojant technologijas. Naudojant ultratrumpuosius šviesos impulsus ir lazerinio mikroapdirbimo strategijas, stiklo tūryje galima formuoti lokalizuotas pakitusių optinių savybių sritis (modifikuoti stiklą) ir į tūrį integruoti fotoninius elementus, tokius kaip šviesolaidžiai, difrakciniai optiniai elementai, fotoniniai kristalai, kurie leidžia valdyti per juos sklindančią šviesą. Tokie dariniai galėtų būti taikomi jutikliuose, spektrinėje analizėje ir kitur.
Laboratorijose jau demonstruojami inovatyvūs ir funkcionalūs stikliniai mikroįrenginiai: aplinkos jutikliai, mikro- ir optofluidikos elementai, kuriami mikrolaboratoriniai lustai (Lab-On-Chip).
Jau gerą dešimtmetį Vilniaus universiteto Fizikos fakulteto Kvantinės elektronikos katedros Lazerinių tyrimų centro (LTC) laboratorijose atliekami skaidrių medžiagų lazerinio mikroapdirbimo ultratrumpaisiais impulsais tyrimai, kuriamos naujos apdirbimo metodikos, demonstruojami inovatyvūs sprendimai, pelnantys pasaulinį pripažinimą.
LTC plėtojamos kelios skirtingos tyrimų kryptys, susijusios su skaidrių medžiagų mikroapdirbimu.
Pjovimas šviesos gijomis
Spartaus stiklų gręžimo femtosekundinėmis šviesos gijomis technologija yra labai patraukli pramoniniams taikymams. Intensyvus lazerio pluoštas, sklindantis skaidria medžiaga, geba pats fokusuotis. Jei spinduliuotės intensyvumai labai dideli, toks savaiminis fokusavimasis yra itin efektyvus ir labai greitai platus pluoštas transformuojasi į siaurą, keliasdešimties mikrometrų storio kanalą – šviesos giją. Įdomiausia, kad šviesos gija nesiplėsdama gali nusklisti didelius atstumus. Fizikiniai šviesos gijų susidarymo ir sklidimo principai Vilniaus universitete tyrinėjami jau daugelį metų, o įgytos žinios leidžia jas efektyviai pritaikyti medžiagų apdirbimo tikslams.
Pramoninio apdirbimo sistemoms idealus sprendimas būtų, jei skaidrią terpę galėtų pjauti ilgas ir siauras lazerio pluoštas. Tačiau ne viskas taip paprasta. Lazerio pluoštas, kol visiškai persiformuos į giją, turi nusklisti tam tikrą atstumą. Todėl reikalingi skaidrūs buferiniai sluoksniai, kurių tikslas – leisti susiformuoti gijai. Laimei, kaip buferinis sluoksnis gali būti naudojamas ir vanduo, kuris naudingas dar ir todėl, kad laiku aušina pjaunamą medžiagą, be to, padeda pašalinti pjovimo metu atsiradusias atliekas ir taip pagerina pjūvio kokybę.
Pjovimo šviesos gijomis sistema šiuo metu sėkmingai taikoma pjaunant laisvos formos figūras iš įvairių medžiagų (ne tik skaidrių), storų stiklų ar net grūdinto stiklo (1 pav.). Ji yra nesunkiai pritaikoma ir virinant optines medžiagas.
Buferinio sluoksnio parinkimas, spinduliuotės parametrų optimizavimas konkrečiai medžiagai ir lazerinio pjovimo fizikos supratimas yra pagrindiniai tiriamieji uždaviniai, kuriuos vykdo universiteto mokslininkai.
Mikroapdirbimas lazeriu asistuotu cheminiu ėsdinimu
Prieš penkiolika metų Tokušimos universiteto (Japonija) mokslininkų grupė, kurios branduolį sudarė lietuvių mokslininkai A.Marcinkevičius ir S.Juodkazis, atrado, kad ultratrumpaisiais lazeriais modifikuotos lydyto kvarco sritys yra neatsparios tam tikrų rūgščių cheminiam ėsdinimui. Paprasčiau tariant, lazeriu modifikuota sritis rūgštyje ištirpsta, tuo tarpu nepaveiktas stiklas – ne. Ultratrumpaisiais lazeriais galima itin tiksliai (modifikacijų dydžiai gali siekti submikrometrinius mastelius) modifikuoti stiklą ir visame tūryje. Taip atsirado puikus precizinio ir trimačio stiklo mikroapdirbimo būdas.
Modifikuotos srities selektyvumas cheminiam ėsdinimui leidžia ne tik tiksliai pjaustyti stiklą (lazeriu modifikuojama ir ėsdinama pjūvio linija), bet ir jo viduje formuoti ertmes, po stiklo paviršiumi realizuoti mikrovamzdelių tinklą ar net gaminti sudėtingos geometrijos mechaninius komponentus iš monolitinio stiklo (2 pav.). Valdant lazerio spinduliuotės parametrus stiklo tūryje galima integruoti ir fotoninius elementus. Trimatis mikroapdirbimas ir integravimas atliekami to paties proceso metu, todėl smarkiai padidėja šio metodo tikslumas ir atsiranda galimybė formuoti unikalios paskirties mikrofotoninius elementus.
LTC laboratorijose šis metodas yra sėkmingai taikomas sprendžiant trimačio mikroapdirbimo uždavinius, integruojant mikrofluidinius kanalus, tiriama galimybė pritaikyti lazeriu asistuoto cheminio ėsdinimo metodą kitoms medžiagoms.
3D nanopolimerizacija
Trimatė lazerinė nanopolimerizacija (litografija) taip pat leidžia realizuoti skaidrius mikrodarinius iš kompiuterinio modelio. Tai adityvi apdirbimo technologija. Skystas polimero pirmtakas sukietinamas (virsta polimeru) tose vietose, kurias paveikė fokusuotas lazerio pluoštas. Sukietintos sritys, kurių erdviniai matmenys gali siekti vos keliasdešimt nanometrų, yra pataškiui jungiamos viena prie kitos. Taip formuojami norimi trimačiai mikroobjektai (3 pav.). Panašiu principu veikia ir šiuo metu smarkiai populiarėjantys trimačiai spausdintuvai.
LTC laboratorijose sukurta sistema šimtus ar net tūkstančius kartų tikslesnė – ja galima apdirbti įvairias, nebūtinai šviesai jautrias medžiagas. Sukietintas polimero pirmtakas pasižymi panašiomis optinėmis savybėmis kaip ir stiklas, todėl iš jo sėkmingai galima formuoti mikrooptikos komponentus. Mikrolęšiai, mikroprizmės ar net optinius sūkurius generuojantys mikrooptiniai elementai yra plačiai naudojami LTC, Lietuvos ir užsienio tyrimų laboratorijose.
Lazerinė polimerizacija gali būti pritaikoma daugelyje polimerinių medžiagų, pasižyminčių kiek kitokiomis optinėmis bei mechaninėmis savybėmis. Vienos medžiagos (pvz., neorganiniai-organiniai polimerų hibridai) sukietinus tampa tvirtos, tuo tarpu kitos (pvz., elastomerai) lieka tamprios ir pan. Taip pat galima kombinuoti skirtingas medžiagas, kurti kompozitinius darinius (programmable materials). Šis skaitmeninis formavimo metodas vadinamas 4D spausdinimu.
Inžineriniu požiūriu lazerinės polimerizacijos technologija turi itin puikias perspektyvas, nes medžiagų savybės niekur nedingsta – jos persiduoda ir suformuotiems mikrodariniams.
Naujosios technologijos – kartu su Šveicarijos mokslininkais
Šiais metais Vilniaus universiteto mokslininkai pradėjo glaudžiai bendradarbiauti su Šveicarijos EPFL (École polytechnique fédérale de Lausanne) universiteto GALATEA laboratorija. Ši laboratorija, vadovaujama prof. Y. Bellouard‘o, yra viena pirmaujančių grupių pasaulyje, užsiimančių stiklinių mikromechaninių technologijų tyrinėjimu ir plėtra.
Šveicarijos ir Lietuvos mokslininkai pradėjo tiriamuosius darbus. Tyrėjai nori sukurti naujo tipo skaidrias mikromechanines sistemas. Bandomuosiuose eksperimentuose, sujungus skirtingas mikroapdirbimo technologijas, buvo suprojektuoti ir lazeriu asistuotu cheminiu ėsdinimu pagaminti elektriniu lauku valdomi stikliniai stūmokliai ir stikliniai jutikliai, į kuriuos integruoti polimeriniai mikrodariniai 3D nanopolimerizacijos būdu. Tokie jutikliai geba matuoti deformacines jėgas (4 pav.). Mokslininkai tyrė, kaip elgiasi polimerinis darinys stiklinėje mikromechaninėje sistemoje, kokių sąlygų ir technologinių sprendimų reikia sėkmingai jį integruoti.
Galimybė laisvai manipuliuoti polimero mechaninėmis savybėmis ir jas kombinuoti su tvirtu ir inertišku stiklu leistų gerokai išplėsti stiklinių mikroprietaisų panaudojimą. Atsivertų galimybė stiklinių-polimerinių mikrovožtuvų, įvairių detektorių, kombinuotų fotoninių elementų gamybai.
Tikimasi, kad šis bendradarbiavimas tęsis ir ateityje, o mokslininkų sumanymus pavyks sėkmingai įgyvendinti.
