Experimental study of filamentation using ultra fast pulse laser in transparent material

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Jae-Goo Kim^*, Doo-Sun Choi^*, Kyoung Hyun Whang^*, Sung-Hak Cho^*,**

*Nano Machining Laboratory, KIMM,

**Department of Nano-Mechatronics, UST(University of Science and Technology),

***Department of Mechanical and Automotive Engineering, Seoul National University of Science and Technology

Abstract

We have successfully formed filament inside of a transparent soda-lime glass using a Ti:sapphire based femtosecond laser. To make filament form, keeping the laser intensity higher than critical intensity is essential. Also each of the machining parameters plays an important role for the formation of filament. In this paper, we study what parameter can possibly influence for formation of filament, and we introduce an application using filamentation by femtosecond laser for transparent material.

Keywords: Filamentation(필라멘테이션), Femtosecond laser(펨토초 레이저), Transparent glass(투명 유리), Internal processing(내부가공)¹⁾

1. 서 론

다양한 모바일기기를 비롯한 여러 제품에 디스 플레이가 사용되고 점점 더 얇은 유리가 사용되고 있어 박판유리 가공기술에 대한 요구가 증가하고 있다^1,2. 기존방법으로는 정밀하게 가공하기 힘든 박판유리가공에 대한 해결책으로 펨토초 레이저를 이용한 가공이 주목을 받고 있고 많은 연구가 진 행 중이다^1,2. 펨토초 레이저를 이용한 가공을 더욱 심도 있게 연구하려면 투명재료와 펨토초 레이저 의 상호작용을 더욱 깊이 이해하여야 한다. 펨토초 레이저는 짧은 펄스폭에서 기인하는 높은 순간출 력 때문에 다른 레이저에서 보기 힘든 레이저와 재료 간 비선형 현상이 발생한다^3-9. 본 논문에서는 비선형 현상이 연속으로 발생하는 filamentation (필라멘테이션) 현상에 집중하여 가공 변수가 필라 멘트 형성에 미치는 영향을 알아보고 가공 변수에 의한 제어 가능한 요소를 파악한다. 또한 횡방향의

투고일 : 2013년 2월 28일 심사완료일 : 2013년 3월 18일 게재승인일 : 2013년 3월 25일

교신저자 : 조성학 ⌧ [email protected]

스테이지 이송을 통한 연속적인 필라멘트 형성으 로 발생된 2차원의 굴절률 변화를 관찰함으로써, 유리절단에 응용할 수 있는 가능성을 알아본다.

2. 실 험

Ti:sapphire 기반의 펨토초 레이저를 사용하여 실험을 진행하였다. 빔 이송용 광학계와 집속렌 즈, 3축 스테이지, CCD 카메라 등으로 가공 시스 템을 구성하였다. Fig. 1과 Table 1에 가공시스템 의 개략도와 펨토초 레이저의 스펙을 나타내었다.

Fig. 1 Schematic Diagram of Ti:sapphire based Femtosecond Laser System.

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Fig. 2 Filamentations vs Pulse Energy by 100X (NA: 0.70) Objective Lens.

Table 1 Specification of Ti:sapphire based Femtosecond Laser Item Specification

Repetition Rate [kHz] 1 5 10 Pulse Energy [mJ] 3.5 0.7 0.35 Wavelength [nm] 795, 400, 267

Pulse Width [fs] < 90

Stability < 0.5% rms over 8 hour Spatial Mode TEM00 (M²< 1.3) Beam Diameter (1/e²) [mm] 7

Polarization Linear Horizontal

필라멘테이션의 가공 파라메터에 대한 영향을 알 아보기 위하여 펄스 에너지, 집속렌즈, 이송속도 등 을 변경하여 실험을 진행 하였다. 펄스 에너지는 ND필터를 사용하여 조절하였으며, 각각 85%, 66%, 55%, 44%, 33%, 25%, 20%, 15%와 ND필터를 사 용하지 않는 경우를 실험에 사용하였다. 집속렌즈는 초점부에서 스폿사이즈를 조절하기 위해 변경하였 고, 5X (NA: 0.14), 10X (NA: 0.28), 20X (NA:

0.42), 50X (NA: 0.55), 100X (NA: 0.70)의 5가지 렌즈를 사용하였다. 이송속도는 한 방향으로 스테이 지를 직선운동 하였을 때, 이송속도에 따른 필라멘 테이션이 연속으로 발생되는 차이를 알아본다.

실험에 사용된 샘플은 100 mm×60 mm×10 mm의 soda-lime glass를 사용 하였다. 샘플은 집속렌즈 아래에 위치하며 스페이서를 통해 바닥에 닿지 않게 한다. 실험 후 수직으로 세워 광학현미경을 통해 가공형상을 관찰하였다.

3. 결과 및 고찰

펄스 에너지와 집속렌즈를 변화시키며 필라멘 테이션 실험을 수행 하였고, 그 결과를 Fig. 2-6에 나타내었다.

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관찰할 수 있었으며, 50X를 사용한 Fig. 3에서는 초점부 근처에서 최대 300μm 정도의 필라멘테이 션이 발생한 것을 관찰할 수 있었다. 또한, 가공 후 발생한 흔적 중 일부만 필라멘테이션이 발생 함을 알 수 있었다. 20X를 사용한 Fig. 4에서는 50X보다 가공흔적 중 필라멘테이션의 비율이 더 욱 적어지며, 그 길이도 짧아진다. Fig. 5, 6에서 의 각각 10X, 5X를 사용한 결과에서는 필라멘테 이션이 관찰되지 않으며, color center가 관찰됨을 알 수 있었다.

고배율일수록 최소 스폿사이즈가 작아져 초점 부의 순간 출력이 높아지고 비선형적 흡수가 일 어나 필라멘테이션이 발생할 확률이 높아지고, 저배율일수록 최소 스폿사이즈가 커져 비선형적 흡수가 일어나지 않아 같은 펄스에너지이어도 필 라멘테이션이 일어나지 않고 color center가 발생 한다. 또한 저배율이어도 NA에 따라 Rayleigh length가 차이가 나므로, color center의 길이에 차이가 발 생한다.

Fig. 7에 펄스 에너지에 따른 필라멘테이션의 길이를 나타낸 그래프를 나타내었으며, Fig. 8에 펄스 에너지별 필라멘테이션의 폭을 나타내었고, Fig. 9에 각 집속렌즈별 전체 가공길이 당 필라 멘테이션의 비율을 나타내었고, Fig. 10에 집속렌 즈별 컬러센터의 길이를 나타내었다.

Fig. 7 Filamentation Length vs Pulse Energy by Numerical Aperture.

Fig. 8 Filamentation Width vs Pulse Energy by Numerical Aperture.

Fig. 9 Filamentation Ratio vs Pulse Energy by Objective Lens.

Fig. 10 Color Center Length vs Pulse Energy by Objective Lens.

Fig. 7에서 볼 수 있듯이, NA가 높을수록 필라 멘테이션의 길이가 증가함을 알 수 있다. NA가 높을수록 빔이 더욱 작게 집속되어 비선형현상이 일어날 확률을 높이며, 그 정도도 강하게 일으켜 필라멘테이션이 더욱 안정적으로 길게 발생된 것 으로 추측된다. 또한 펄스 에너지가 증가할수록 필라멘테이션의 길이 또한 증가하나, 일정이상 증가하지 않고 증가되는 길이 또한 길지 않다.

Fig. 8에서 볼 수 있듯이 NA가 높을수록 폭이 작아지는데, 빔이 더욱 작게 집속되어 plasma defocusing

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에 이은 self-focusing 현상에 의해 빔이 크게 분산 되기 전에 다시 집속되기 때문에 필라멘테이션의 폭이 NA가 클수록 좁아지는 것으로 생각된다.

NA값에 따라 필라멘테이션이 발생정도가 다른 것을 Fig. 9를 통해 알 수 있다. 같은 펄스 에너 지라도 NA가 낮으면 필라멘테이션의 길이가 짧 아지며 아예 발생하지 않기도 한다. 이를 통해 NA값이 필라멘테이션 형성 자체에 중요한 변수 인 것을 알 수 있다.

Fig. 10에서는 NA값이 낮아 color center가 발 생한 길이를 나타내고 있다. NA값이 작을수록 Rayleigh length가 길어 color center의 길이가 증 가함을 알 수 있다. 또한 같은 NA에서도 펄스 에너지가 증가함에 따라 color center가 어느 한 계선까지 증가하는 경향이 있음을 알 수 있다.

Fig. 11 Filamentation Scanning Using 100X (NA: 0.70) Objective Lens, Pulse Energy of 420μJ and Scanning Speed of 0.001mm/s.

Fig. 12 Filamentation Scanning Using 100X (NA: 0.70) Objective Lens, Pulse Energy of 420μJ and Scanning Speed of 1mm/s.

Fig. 11, 12는 필라멘테이션이 안정적으로 발생 하는 파라메터를 사용하여 스테이지를 통해 한 방향으로 직선운동하여 가공한 결과 사진이다.

예상대로 필라멘테이션이 필라멘테이션 길이방향

의 수직하게 연속으로 발생한 것을 알 수 있다.

이송속도가 느리면 필라멘테이션이 많이 중첩되 어 열 축적효과로 인해 불규칙한 형상을 관찰할 수 있다. 반면 이송속도가 빠른 경우 규칙적인 형상으로 가공이 되나 가공속도가 느린 경우와 비교하여 필라멘테이션이 짧게 발생하였다.

4. 결 론

유리에 투명한 가시광선영역의 파장의 펨토초 레이저를 이용한 투명재료 내부의 가공 변수에 따른 필라멘테이션 형성에 대한 실험을 수행하였 다. 주로 펄스 에너지와 집속렌즈를 변경하여 실 험을 진행하였고, 1축으로 스테이지를 이송하면 서 가공을 수행하였다. 위 실험을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

필라멘테이션 형성에 지배적인 영향을 미치는 것은 NA값이다. 작은 펄스 에너지이지만 아주 작게 집속이 된다면 비선형적 현상에 의해 필라 멘테이션이 발생할 수 있다. 또한 펄스 에너지가 충분해도 NA가 작으면 필라멘테이션이 짧게 발 생되거나 아예 발생하지 않는다.

펄스 에너지는 필라멘테이션의 안정적인 발생 에 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 펄스 에너 지가 작아도 NA가 크면 필라멘테이션이 발생되 나 중간에 필라멘테이션이 끊기는 것을 관찰할 수 있었다. 반면에 펄스 에너지가 크면 끊기는 현 상 없이 안정적으로 발생되는 것을 알 수 있었다.

한 점에 레이저를 계속 조사하지 않고 스테이 지를 사용하여 한 방향으로 움직이면 필라멘테이 션이 옆으로 배열되는 것을 알 수 있었다. 이송 속도가 느리면 필라멘테이션이 중첩되어 규칙적 인 형상을 보이지 않으며 이송속도가 빠르면 형 상은 규칙적이나 필라멘테이션 길이가 상대적으 로 짧은 것을 알 수 있었다. 따라서 1차원 가공 을 통해 투명재료 내부에 2차원의 가공형상을 얻 을 수 있고, 더욱 높은 펄스 에너지로 공동이나 균열의 유도를 통하여 유리절단에 응용이 가능할 것으로 생각된다.

References

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(5)

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