Исследователи Дальневосточного федерального университета совместно с коллегами из Харбинского технологического института (КНР) разработали метод лазерной обработки металлов, которым управляет нейросеть. Технология позволяет с высокой точностью наносить на поверхность нержавеющей стали нано-бороздки, окрашивающие изделие в разные цвета за счет эффекта дифракции света. Такие метки невозможно подделать или стереть в отличии от краски. Они нужны как для защиты товаров от подделок, а также для создания деталей спектрометров или оптических датчиков, расщепляющих свет на цвета.
При многократном импульсном лазерном облучении исходно гладкая поверхность металла покрывается регулярными нано-бороздками. Это физическое явление называют лазерно-индуцированными периодическими поверхностными структурами, или сокращенно LIPSS. У образовавшегося рельефа сейчас есть множество назначений. В медицине он помогает клеткам лучше закрепляться на поверхности имплантов, которые вживляют в организм — костных пластинах, суставах, зубных протезах. Клетки растут вдоль бороздок упорядоченно, и чужеродная деталь быстрее приживается. Ещё одно применение — управление смачиваемостью: вода на такой поверхности может собираться в капли и скатываться, унося с собой грязь, а может растекаться тонким слоем, что необходимо для самоочищающихся покрытий, защиты от обледенения и лабораторных чипов, где с помощью крошечных капель проводят анализы. Наконец, самое удивительное свойство — структурная окраска. Когда свет падает на бороздки, он распадается на радужные оттенки, как в компакт-диске. Расстояние между бороздками задаёт длину волны, то есть цвет, а наклон — направление и интенсивность дифракции. Изображение становится частью самого металла, а не покрытием сверху: его невозможно стереть или подделать.
Долгое время управлять этими параметрами — периодом и наклоном бороздок — одновременно и независимо не получалось. Они связаны друг с другом и зависят от угла падения лазерного луча и его поляризации. Любое отклонение вносило хаос в геометрию, и вместо красивого узора на металле появлялась беспорядочная тусклая рябь. Авторы работы из ДВФУ и Харбинского технологического института предложили усовершенствовать технологию: они собрали многокоординатную лазерную установку сразу с пятью осями движения. Она позволяет одновременно менять угол падения луча в диапазоне от −30° до +30° и угол поляризации (направление колебаний света) от 0° до 180°. Однако из-за побочных оптических эффектов (искажение фокусного пятна при угловом падении, изменение отражающей способности стали и т.д.) прямое управление по простым формулам не давало нужной точности. Здесь на помощь пришла нейросеть, которая позволила напечатать на металле многоцветное изображение, в котором каждый цветовой оттенок задавался участками с нано-бороздками определённого периода и ориентации.
Мы использовали два нейросетевых модуля. Первый — нейронная сеть обратного распространения ошибки — помог нам оптимизировать основные параметры лазерной обработки: энергию импульса, эффективное число импульсов и шаг между сканирующими линиями, чтобы добиться максимально ровных и регулярных бороздок. Вторую нейросеть мы обучили на 130 экспериментальных наборах данных устанавливать прямую связь между углами падения и поляризации, с одной стороны, и результирующим периодом и ориентацией структур LIPSS — с другой, — поясняет соавтор исследования, сотрудник ДВФУ и ИАПУ ДВО РАН Александр Кучмижак.
Оптимизация параметров лазерной обработки с помощью нейросети позволила снизить разброс ориентации нано-бороздок до минимального значения около 6,5 градусов, сделав их почти параллельными. Раньше при случайном подборе они отклонялись друг от друга в среднем на 47 градусов, что приводило к тусклым цветам при дифракции цвета на такой слабо упорядоченной структуре. В качестве демонстрации применимости технологии, учёные напечатали на нержавеющей стали многоцветное изображение — завиток из пяти цветных областей: красной, оранжевой, голубой, синей и фиолетовой. Для каждой зоны нейросеть рассчитала нужные углы падения и поляризации лазерного излучения. Сканирующая электронная микроскопия подтвердила высокую точность: измеренный период решётки отклонялся от расчётного не более чем на 20 нанометров, а ориентация — на 0,6 градуса. Цвета при этом почти совпали с задуманными — отклонение по длине световой волны не превышало 27 нанометров.
Наш подход универсален. Он применим не только к нержавеющей стали, но и к другим металлам и полупроводникам, которые поддерживают формирование структур типа LIPSS. Более того, предложенная схема с пятью осями позволяет в будущем создавать такие структуры не только на плоских, но и на изогнутых поверхностях — например, на деталях сложной формы, — добавляет Кучмижак.
Работа открывает новые возможности для быстрого и точного лазерного нанотекстурирования с обратной связью на основе машинного обучения. Потенциальные применения включают производство защитных голографических меток, оптических элементов, биосовместимых поверхностей и сенсоров.
Результаты работы опубликованы в авторитетном журнале ACS Applied Materials & Interfaces.
Источник: Минобрнауки России
Изображение на обложке: разработано Magnific
