TERMOFYZIKÁLNÍ PROCESY A METODY LASEROVÉHO SKENOVÁNÍ S ULTRAKRÁTKÝMI PULZY V POVRCHOVÉM STRUKTUROVÁNÍ

Denys MOSKAL

Doctoral thesis

THERMO-PHYSICAL PROCESSES AND ULTRASHORT PULSE LASER SCANNING METHODS IN SURFACE TEXTURING

Abstract:

Laserové texturování povrchu je jednou z metod pro kontrolované strukturování a získávání specifických fyzikálních vlastností povrchu. Disertační práce je zaměřena na charakterizaci termofyzikálních procesů laserového texturovaní povrchu (LST) s ultrakrátkýma pulzy a vývoj laserových skenovacích metod pro rychle zpracování povrchu s vysokou přesností a nízkou akumulací tepla. V první části práce je uveden přehled laserového texturovaní povrchu pro několik aplikací: v biologii, materiálovém inženýrství, medicíně, optice, polovodičové elektronice a dalších. Jsou zvažovány různé fyzikální mechanismy interakce ultrakrátkých laserových pulzů s ozářeným povrchem. Jsou diskutována fyzikální omezení, jako je akumulace tepla a účinky stínění. Je prezentován aktuální stav moderních metod LST. Na základě literární rešerše jsou definovány cíle práce a hlavní úkoly: měření a analýza tepelného infračerveného záření detekovaného při laserovém zpracování povrchu a porovnání s teoretickými předpovědi; návrh a implementace nových skenovacích strategií pro vysokorychlostní LST; vyhodnocení přesnosti, rychlosti zpracování a akumulace tepla v různých LST metodách; praktická aplikace vyvinutých metod LST. V další části jsou uvedeny výzkumné metody použité ve studii. Jsou popsána měření akumulace tepla a ablace plazmatického žáru pomocí rychlých IR detektorů a metod zpracování dat. Nová posuvná metoda LST je vyvinuta a porovnána s klasickými metodami LST. Jsou uvedeny metody pro vyhodnocení přesnosti a rychlosti zpracování. Je popsán polorovinný termofyzikální model pro analytickou předpovědí změn povrchové teploty. Další část obsahuje dosažené výsledky a diskusi. Režimy laserového zpracování povrchu získané během experimentů byly charakterizovány třemi úrovněmi akumulace tepla: nízká akumulace tepla, kritická a přehřátá. Bylo obdrženo snížení doby ablačního plazmového žáru při vyšších skenovacích rychlostech. Jsou navrženy možné důvody takové závislosti. Bylo zjištěno, že posuvná metoda dosahuje více než desetkrát vyšší rychlosti zpracování se zanedbatelnou odchylkou geometrie vytvořených mikroobjektů. Podobné výsledky byly dosaženy v experimentech s laserovým tvarováním hloubkového profilu povrchových mikroobjektů. Nejvyšší rychlost zpracování bylo dosaženo s posuvnou metodou LST v režimu seskupení laserových pulzů (burst). Analýza teplotních režimů ukázala, že akumulace tepla je podobná pro klasickou i posuvnu strategii LST a přehřátý režim nebyl dosažen. U posuvné metody LST je akumulace tepla dokonce nižší než kritická hranice. Rozložení teploty v materiálu získané analytickým modelem ukazuje přiměřenou shodu s experimentálními výsledky měření IR záření. Ve srovnání s klasickými metodami byla prezentována i skutečná aplikace posuvné metody LST. Závěr a návrhy na další výzkum jsou uvedeny na konci práce. Výhody analýzy infračerveného záření a posuvné metody LST jsou zdůrazněny.

Abstract:

Laser surface texturing is one of the methods used for controllable surface structuring and acquisition of specific surface physical properties. This Ph.D. dissertation is focused on the characterization of the thermo-physical processes in ultrashort pulse laser surface texturing (LST) and development of the laser scanning methods for high-speed processing with high precision and low heat accumulation. In the first part of the dissertation, a review of LST for several applications is presented: in biology, material engineering, medicine, optics, semiconductor electronics and other areas. The different physical mechanisms of ultrashort laser pulse interaction with an irradiated surface are considered. The physical limitations, such as heat accumulation and shielding effects, are discussed. The current state of the art of modern LST methods is presented. Based on the literature review, the aims of the work and main tasks are defined: measurement and analysis of the thermal IR radiation signals detected during laser surface processing and comparison with theoretical predictions; the proposal and implementation of new scanning strategies for high-speed LST; evaluation of the precision, processing rate and heat accumulation in the LST methods; and practical application of the developed LST methods. In the next part, the research methods used in the study are presented. The heat accumulation and ablated plasma glow duration measurements with fast IR detectors and data processing methods are described. The new shifted LST method is developed and compared with classic LST methods. The methods for evaluation of the precision and processing rate are presented. The semi-planar thermo-physical model for analytical prediction of surface temperature changes is described. The next part contains the achieved results and discussion. The laser surface processing regimes obtained during experiments were characterized by three levels of heat accumulation: low heat accumulation, critical and overheated. A decrease of ablated plasma glow duration at higher scanning speeds was detected. The possible reasons for this dependence are proposed. It was discovered that the shifted method reaches a more than ten times higher processing rate with negligible microobject geometry deviation. Similar results were achieved in experiments with depth profile testing on the laser-textured microobject array. The highest processing rate was achieved with the shifted LST method in burst regime. The analysis of the temperature regimes shows that the heat accumulation is similar for both the classic and shifted LST strategies and the overheated regime was not reached. For the shifted LST method, the heat accumulation is even lower than the critical boundary. The temperature distribution in material obtained by the analytical model shows a reasonable agreement with experimental results of the IR radiation measurements. The real application of the shifted LST method is presented in comparison with classic methods. The conclusion and proposals for further research are presented at the end of the dissertation. The benefits of the IR radiation signal analysis and shifted LST method are underlined.

Keywords

Ultrakrátký laserový puls, laserové texturování povrchu, funkční povrchy, akumulace tepla, vysoce přesná strategie vysokorychlostního skenování, termofyzikální procesy

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 27. 12. 2019

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: Doc. Ing. Milan Honner, Ph.D.

University of West Bohemia

Faculty of Applied Sciences

Doctoral programme / field:
Applied Sciences and Computer Engineering / Plasma Physics and Physics of Thin Films