Технологии и разработки СО РАН

Институт автоматики и электрометрии СО РАН

Institute of Automation and Electrometry SB RAS

Директор — академик РАН, профессор Шалагин Анатолий Михайлович
Director Professor Anatoly M. Shalagin, Academician of RAS

ИАиЭ СО РАН является научно-исследовательским институтом физико-технического профиля, организованным в 1957 году в числе первых институтов Сибирского отделения Российской академии наук.
В структуре Института 17 научных лабораторий и 12 тематических групп, входящих в их состав.
В настоящее время в Институте сформировались направления исследований, включающие лазерную физику и спектроскопию, физику конденсированных сред, прецизионные оптические технологии и системы, информационно-вычислительные комплексы новых поколений с использованием электронных и оптических технологий, в том числе проблемно ориентированные компьютерные системы, средства дистанционной диагностики физических параметров объектов и процессов, автоматизированные системы управления.

ИАиЭ СО РАН сотрудничает более чем с 20 зарубежными университетами, институтами и научными учреждениями США, Германии, Франции, Англии, Швеции, Болгарии, Китая, Кореи и других стран.
С 2002 г. в Институте функционирует Центр коллективного пользования «Высокоразрешающая спектроскопия газов и конденсированных сред» (ЦКП «Спектроскопия и оптика»).
Институт является базовым для трех кафедр Новосибирского государственного университета: «Квантовая оптика», «Автоматизация физико-технических исследований», «Компьютерные технологии» и кафедры Новосибирского государственного технического университета «Оптические информационные технологии». На базе этих кафедр и лабораторий Института функционируют научно-образовательные центры. В аспирантуре ИАиЭ СО РАН обучается несколько десятков человек.

Институт входит в технологические платформы: «Инновационные лазерные, оптические и оптоэлектронные технологии — фотоника», «Национальная информационная спутниковая система», «Интеллектуальная энергетическая система России».

ИАиЭ СО РАН издает периодический (6 раз в год) научный журнал «Автометрия», который переиздается в США под названием Optoelectronics, Instrumentation, and Data Processing. Результаты интеллектуальной деятельности Института защищены государственными охранными грамотами.

Области применения разработок Института: приборостроение, электроника, робототехника, информационные технологии, энергетика и электротехника, машиностроение, оптика и лазерная техника, химическая промышленность, защита окружающей среды, медицина и здравоохранение.

INFORMATION ABOUT THE INSTITUTE

IA & E SB RAS is a research institute in the field of physics and engineering. It was founded in 1957 among the first institutes of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (at that time, Academy of Sciences of the USSR).

The Institute includes 17 research laboratories and 12 topic groups within these laboratories.

Research aspects studied now at the Institute are laser physics and spectroscopy, physics of condensed media, precision optical technologies and systems, new-generation information and computational systems with the use of electron and optical technologies, including problem-oriented computer systems, tools for remote diagnostics of physical parameters of objects and processes, and automated control systems.

IA & E SB RAS collaborates with more than 20 foreign universities, institutes, and research centers of the USA, Germany, France, England, Sweden, Bulgaria, China, Korea, and other countries.

A collective use center «High-resolution spectroscopy of gases and condensed media» («Spectroscopy and optics») operates at the Institute since 2002.

The Institute serves as a basis for three chairs of the Novosibirsk State University (Quantum optics, Automation of research in physics and engineering, and Computer technologies) and one chair of the Novosibirsk State Technical University (Optical information technologies). Research and educational centers operate on the basis of these chairs and Institute laboratories. There are also several dozens of post-graduate students.

The Institute is included into several technological platforms: Innovative laser, optical, and optoelectronic technologies — photonics, National information satellite system, and Intellectual energy system of Russia.

Results of intellectual activities of the Institute are protected by state documents.

Results of research and development of the Institute can be applied in the following fields: instrument engineering, electronics, robotics, information technologies, power and electrical engineering, mechanical engineering, optics and laser technologies, chemical industry, chemical industry, environmental safety, medicine, and health service.

Аннотация. Предлагается комплекс для прецизионной лазерной микрообработки оптико-механических деталей и изделий (из металла, керамики, кристаллических материалов, оптического стекла) и контроля качества изготавливаемых микроструктур. Комплекс состоит из лазерной технологической рабочей станции (ФПЛ) на основе лазера с перестраиваемой длительностью импульсов (фемто-пико) и сканирующего профилометра нанометрового разрешения (СП) на основе хроматических конфокальных датчиков.

ФПЛ осуществляет микрообработку деталей и изделий путем лазерного трехмерного формообразования, резки и регулируемой объемной оптической модификации прозрачных материалов. СП предназначен для контроля качества изготавливаемых микроструктур.

Описание. Комплекс обеспечивает точность обработки на уровне 0,1 мкм при габаритах обрабатываемой заготовки 200×200×150 мм, высокое быстродействие, универсальность и гибкость благодаря использованию встроенных и автономных оптических датчиков и систем, контролирующих качество, оригинального программного обеспечения и многоканальных лазерных модулей, работающих в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах. Технические и программные решения в сочетании с прецизионной скоростной системой лазерного сканирования, примененные в комплексе, позволили разработать и внедрить уникальную высокопроизводительную технологию формирования микроканалов в стеклянных заготовках, создать точные маски из металлических фольг для терагерцевого диапазона. Специальные программные средства обеспечивают быструю отработку технологии для серийного выпуска изделий.

Инновационные аспекты и преимущества предложения

На созданном оборудовании выполняются работы по исследованию технологий лазерной микрообработки для ряда институтов СО РАН и изготовлению прецизионных серийных деталей с уникальными характеристиками для предприятий России.

Преимущества предлагаемой системы ФПЛ:

• высокая дискретность и точность при высокой скорости обработки (метры в секунду, при размере луча в фокусе 3 мкм) в широком диапазоне алгоритмов микрообработки;
• возможность проводить микрообработку на трех длинах волн фемтосекундного лазерного излучения;
• стоимость системы в 1,5 – 3 раза ниже, чем у сопоставимых по характеристикам аналогов;
• подготовка данных для обработки может вестись в стандартных (в т. ч. отечественных) CAD-продуктах с учетом ГОСТ и ОСТ;
• возможности индивидуальной конфигурации системы под заказчика, оперативная поддержка.

Поставляемые технологии обеспечивают возможность обработки хрупких материалов (стеклянных, кристаллических, полимерных, композитных и пр.) без микротрещин и сколов методами прямой лазерной записи.

Преимущества предлагаемой системы СП:

• интеграция в одном продукте средств измерения, обработки данных и контроля качества по данным CAD-модели;
• возможность измерения поверхности высококонтрастных объектов (коэффициент отражения которых локально изменяется более чем на 3 порядка);
• отсутствие ошибок (сферические аберрации, дисторсия) при восстановлении 3D-модели;
• встроенные алгоритмы, обеспечивающие высокую точность измерений:

— обработки пространственных данных (коррекция ошибок, фильтрация, компенсация наклона);
— сравнения данных измерений с CAD-моделью (автоматическое совмещение, поиск границ объектов, определение размеров и формы структурных элементов объекта и эффектов обработки).

Разработанный комплекс, каждая из систем которого может использоваться автономно, по функциональности и совокупности технических характеристик не имеет аналогов не только в России, но и за рубежом.

Права интеллектуальной собственности. Патенты получены. Авторские права (copyright).
Тип требующегося сотрудничества. Техническая кооперация. Производственное соглашение. Коммерческое соглашение с техническим содействием.

PRECISION TECHNOLOGICAL COMPLEX BASED ON THREE-DIMENSIONAL FEMTOSECOND LASER MICROMACHINING AND PRECISE PROFILOMETRY

Abstract. A complex for precision laser micromachining of optomechanical articles (made of metals, ceramics, crystalline materials, or optical glasses) and monitoring the quality of fabricated microstructures is proposed. The complex consists of a femto-picosecond laser (FPL) workstation based on a laser with tunable (femto-picosecond) pulse duration and a scanning profilometer (SP) with a nanometer resolution on the basis of chromatic confocal sensors.

The FPL ensures micromachining of articles by means of three-dimensional laser shaping, cutting, and controlled optical volume modification of transparent materials. The SP is designed for monitoring the quality of fabricated microstructures.

Description. The complex ensures machining accuracy of about 0.1 μm for the machined workpiece size of 200х200х150 mm, fast response, universality, and flexibility owing to built-in and autonomous optical sensors and systems of quality monitoring, unique software, and multichannel laser subsystems operating in infrared, visible, and ultraviolet ranges. Engineering and program solutions combined with a precision high-speed system of laser scanning made it possible to develop and implement a unique high-performance technology of forming microchannels in glass workpieces and creating precise aluminum foil masks for the terahertz range. Special software systems ensure rapid mastering of the technology for batch production.

Innovative aspects and advantages

The present equipment is used for studying laser micromachining technologies in several institutes of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences and for batch production of precision articles with unique characteristics for various Russian enterprises.

Advantages of the FPL system:

• High discreteness and accuracy combined with high machining velocity (meters per second with the focused beam size of 3 μm) in a wide range of micromachining algorithms;
• Possibility of micromachining at three wavelengths of the femtosecond laser beam;
• Low cost of the system (1.5 – 3 times smaller than that of analogs with similar performance);
• Possibility of data preparation in standard (including domestic) CAD products with due allowance for state standards:
• Possibility of tailoring the system for particular customer’s needs; first-line support.

The present technologies offer a possibility of micromachining of brittle (glass, crystalline, polymer, composite, etc.) materials without microcracking and spallation by methods of direct laser writing.

Advantages of the proposed scanning profilometer:

• Integration of various tools for measurements, data processing, and quality monitoring on the basis of a CAD model;
• Possibility of measurements on the surface of high-contrast objects (with local changes in the reflection coefficient of more than three orders of magnitude);
• Absence of errors (spherical aberrations, distortion) in 3D model reconstruction;
• Built-in algorithms providing high accuracy of measurements:

— processing of spatial data (correction of errors, filtration, slope compensation);
— comparisons of measured data with the CAD model (automatic alignment, search for object boundaries, determination of sizes and shapes of structural elements and machining effects).

The operability and performance of the developed Complex have analogs neither in Russia nor abroad. Moreover, each of the systems of this Complex can be used autonomously.

Intellectual property rights. Patents are received. Copyright.
Type of cooperation required. Technical cooperation. Production agreement. Commercial agreement with technical assistance.

Прецизионный технологический комплекс на основе лазерной фемтосекундной трехмерной микрообработки и точного профилометрического контроля

Контроль посредством СП выполненных на ФПЛ элементов: 1, 3 — профили микрообработки стекла, ширина линий 30 мкм, глубина 39 мкм, шероховатость дна (Ra) 0,4 мкм; 2 — глубина 26,8 мкм
SP monitoring of articles produced with the use of the fpl: 1, 3 — profiles of micromachined glass line width 30 μm, depth 39 μm, bottom roughness (ra) 0.4 μm; 2 — depth 26.8 μm