Direct Laser Interference Patterning: a novel approach with scanner optics

Patterned surfaces provide enhanced surface properties exploitable ranging in different application fields, from automotive to biomedical. Feature dimension and geometry of pattern are able to tune surface behaviour. The control of feature scale from micrometric up to nanometric range becomes crucial for many applications. Despite the great number of methods able to realize structures on surfaces, the laser surface texturing is a versatile and diffused method to process micrometric features on different materials. It is commonly realized using Direct Laser Writing (DLW) approach, where a laser beam is scanned over the surface for processing in the direct writing mode. The beam is limited by diffraction phenomena ensuring a spot size of tens micrometers. This approach generates two limitations: i) inability to machine submicrometric features, and ii) low productivity on large areas. In order to overcome the feature size limitation, Direct Laser Interference Patterning (DLIP) has been found to be a valid route. DLIP is the method that employs two or more interference beams. It provides control over the pattern geometry by regulating the angle between the beams and the wavelength of the beam. The optical arrangements used in this technique is based on interferometric setups, which commonly require two or more beam paths converging on the processed zone. Accordingly, relative movement is given to the workpiece by means of linear stages, which reduces productivity compared to scanner optics. In this work, a two-beam DLIP setup was first developed and then was investigated with an industrial grade nanosecond-pulsed fiber laser emitting at 532 nm. The process feasibility window was assessed within a large range of parameters, on a magnesium alloy, where the low melting point and high thermal conductivity of Mg alloy generates difficulties in terms of the machining quality. Moreover, a new approach to Two-beam DLIP is proposed and demonstrated. The interference patterns were processed using a scanner head, where the interference was realized with a Michelson-Morley interferometric set-up. The interfering beams were launched successfully to a conventional galvanometric scanner head, reflected by two motorized mirrors and focused by an f-theta lens. Linear patterns were transferred to magnesium surfaces in order to demonstrate new system feasibility, using two different scanning strategies. At this initial phase, texturing speeds of 500 mm/s were achieved, validating the capability and high productivity on large area fabrication.

Le superfici texturizzate sono in grado di migliorare le proprietà di un substrato spaziando tra diversi settori applicativi, da quello automobilistico fino al biomedicale. La scala dimensionale e la geometria della texture permettono infatti un controllo sul comportamento superficiale di un materiale. In questi termini, la variazione della dimensione della texture, da scala micrometrica a nanometrica, diventa un fattore cruciale. Nonostante la grande varietà di metodi atti a realizzare strutture superficiali, la texturizzazione laser si presenta come strumento versatile e diffuso per la realizzazione di micro strutture su diversi materiali. La texturizzazione laser è comunemente realizzata con la tecnica del Direct Laser Writing (DLW), dove un fascio laser è movimentato con un sistema di scansione sulla superficie del pezzo. Il risultato è un trattamento del substrato con metodo diretto. Questa tecnica è tuttavia limitata, in termini di dimensione dello spot finale, dai fenomeni diffrattivi legati all'utilizzo di elementi ottici. Il minimo spot ottenibile è comunemente caratterizzato da dimensioni nella decina dei micron. Questa condizione comporta due restrizioni: i) l'inabilità a lavorare strutture aventi dimensione sub-micrometrica e ii) bassa produttività nelle lavorazioni che coinvolgono ampie aree di materiale da trattare. Al fine di superare queste criticità, il metodo di Direct Laser Interference Patetrning (DLIP) è un valido candidato. Il DLIP è realizzato da due o più fasci che interferendo tra loro permettono il controllo della geometria e della dimensione della texture, la quale può essere regolata variando l'angolo di interferenza dei fasci o la lunghezza d'onda della sorgente utilizzata. Il DLIP sfrutta l'utilizzo di un interferometro i cui fasci risultati vengono opportunamente reindirizzati e sovrapposti nella zona da processare. A tale proposito, la strategia comunemente utilizzata per realizzare trattamenti su superfici prevede la movimentazione del pezzo mantenendo fissi i fasci di interferenza. Questa condizione riduce la produttività della tecnica se confrontata con l'utilizzo di teste di scansione. In questo lavoro, il DLIP a due fasci è stato prima sviluppato e successivamente investigato utilizzando una sorgente industriale ai nanosecondi, avente lunghezza d'onda di 532 nm. La finestra di fattibilità del processo è stata determinata variando i parametri in un ampio range di valori. Lo studio è stato condotto su una lega di magnesio, in il cui basso punto di fusione e la alta conduttività termica hanno generato difficoltà in termini di lavorabilità delle superfici. Inoltre, un nuovo approccio per realizzare DLIP a due fasci è stato proposto e dimostrato. Il pattern di interferenza, realizzato con un interferometro di Michelson-Morley, è stato movimentato attraverso una testa scanner. I fasci di interferenza sono stati lanciati nella testa e movimentati attraverso i due specchi galvanometrici quindi focalizzati con una lente F-theta. Texture a linee sono state realizzate su substrati di magnesio per dimostrare la capacità del nuovo sistema, utilizzando due diverse strategie di scansione. La velocità di scansione raggiunta è di 500 mm/s, dimostrando la capacità del sistema in termini di alta produttività su aree di lavorazione grandi.