01 Johdanto
Kuluneen vuosikymmenen aikana ultranopeiden pulssilaserien tutkimuksessa on edistytty merkittävästi, mikä parantaa niiden prosessoinnin vakautta ja joustavuutta. Vaikka ultranopeiden pulssilaserien prosessointilaatu voi täyttää monien sovellusten tarpeet, tuotantotehokkuus on edelleen puutetta teollisissa sovelluksissa käytettäessä ultranopeita pulssilasereita (USP) käsittelyyn. On kaksi tapaa parantaa USP-käsittelyä: 1) lisäämällä pulssienergiaa; 2) lisäämällä pulssin toistonopeutta. USP-lasereita käyttävän materiaalinkäsittelyn tuotantotehokkuuden pitäisi kilpailla muiden teknologioiden kanssa, joten tutkijat ovat panostaneet laserenergian hallintaan laserin lisäksi. Erilaisia mekaanisia ja optisia järjestelmiä käytetään ohjaamaan työkappaleessa olevan lasersäteen paikkaa, suuntaa ja muotoa.
02Värisevä peili ja monikulmiokanneri
Lasersäteen järein ja kätevin nopea paikannus saavutetaan galvanometriskannerilla, joka kallistaa kahta peiliä lähes inertiattomasti pystysuunnassa. Nykyaikaiset galvanometriskannerit, joissa on 160 mm:n polttovälin f-teta-linssi, voivat siirtää lasersädettä 20 m/s nopeudella 100 mm x 100 mm:n näkökentässä. Tällaisilla nopeuksilla laserpulssin synkronointi lasersäteen liikkeen kanssa on haastavaa. Polygonskannereita käytetään laajalti kuvantamiseen ja viivakoodien lukemiseen, ja ne ovat vielä uusia materiaalinkäsittelyn alalla. Ne voivat siirtää lasersädettä työkappaleen pinnalla 100–1000 m/s nopeuksilla. USP-laserpulssien synkronointi polygonin erittäin vakaan pyörimisen kanssa on haastavampaa. Yhdistämällä monikulmiokannerit yksi-akselin galvanometriskannereihin kehitettiin nopea kaksi{14}}ulotteinen skanneri (kuva 1). Jatkuvien laserpulssien jakautuminen koko laserkäsittelyalueelle erottaa lämmön kertymisen ja plasmasuojausvaikutukset.
03 Lasersäteen muotoilu
Useimmat laserit lähettävät säteitä, joilla on Gaussin sädeprofiili. Voimakkuus on korkea säteen keskellä ja pienempi reunoilla. Tämä spatiaalinen energian jakautuminen ei ole hyödyllinen monissa sovelluksissa, etenkään ohutkalvokäsittelyssä. Lasersäteen muotoilu- ja homogenisointitekniikat voivat optimoida muodon monenlaisia lasermateriaalinkäsittelysovelluksia varten. Diffraktiiviset optiset elementit (DOE) voivat muuntaa pyöreän Gaussin säteen suorakaiteen muotoiseksi ylä-säteeksi, jossa suuri osa säteen halkaisijasta säilyttää intensiteetin, mikä muodostaa prosessiin sopivan lasersäteen muodon, kuten kuvassa 2 näkyy.
Joustava vaihtoehto lasersäteiden muotoiluun on käyttää spatiaalisia valomodulaattoreita (SLM), jotka perustuvat pikselöityihin laitteisiin, joissa on sähköisesti kytketyt nestekiteet. Tietokoneella -generoidut hologrammit lähetetään SLM-ohjauselektroniikkaan lasersäteen vaihe- tai amplitudimaskien asettamiseksi. SLM yhdessä femtosekuntien lasereiden kanssa tuottaa useita taipuneita säteitä rinnakkaiskäsittelyä varten, mikä lisää merkittävästi piin ja titaaniseosten -tarkkuuden mikrostrukturoinnin suorituskykyä yli kymmenen kertaa.
Kuva 2. FBS:llä ja pallomaisella linssillä (oikealla) muodostetun neliömäisen lasersäteen intensiteettijakauma mitattuna CCD-kameralla. Tulopalkkiprofiili näkyy vasemmalla. Laserin keskimääräinen lähtöteho on 12 W.
04 Monipalkkijärjestelmä
Suuritehoisten USP-laserien käyttö suurella pulssin toistotaajuudella MHz-alueella voi johtaa lämpöiskuvyöhykkeisiin, kuten ylikuumenemiseen ja sulatteen muodostumiseen, mikä voi heikentää ablaation laatua. Korkean ablaatiolaadun saavuttaminen edellyttää kaikkien prosessiparametrien huolellista sovittamista, mutta kehittyneiden galvanometrien tai polygonskannerien suuri säteen poikkeutusnopeus ei aina tarjoa tarkkoja mikro{1}}koneistusratkaisuja. Tässä tapauksessa useat lasersäteet tarjoavat monipuolisen suuritehoisen ablaatioratkaisun, kuten kuvassa 3, joka havainnollistaa tuloksia rinnakkaisesta prosessoinnista käyttämällä Dammann-hilalla luotua hilaa diffraktio 1 × 5 ja 5 × 5 säderyhmien muodostamiseksi.
Kuva 3. (a) Kun G1=0 ja G2=125, laserprofilometri (Spiricon) havaitsi 1 × 5 (vasemmalla) ja 5 × 5 (oikea) ryhmän. (b) Sokeat reiät käsiteltiin kiillotetuissa Ti64-näytteissä käyttämällä 1 × 5 (vasen) ja 5 × 5 (oikea) Dammann-ritilä (G1=0, G2=125).
05 Yhteenveto
Ultralyhyet pulssilaserit tuottavat koherentteja valopulsseja, joiden pulssin kesto vaihtelee pikosekunneista femtosekunteihin, ja niistä on tulossa yhä suositumpia tarkkuuslasermikro{0}}koneistuksessa. Ne eivät hyödy ainoastaan hyvästä ennustavasta laserablaatiosta, joka vaimentaa lämpö-vaikutusalueen, vaan myös tehostetuista epälineaarisista vuorovaikutuksista materiaalien kanssa, mikä avaa uusia käsittelymahdollisuuksia erityisesti läpinäkyvien materiaalien kanssa. Yhteenvetona voidaan todeta, että ultralyhyiden pulssilaserien kehitys on tehokkaasti edistänyt ablaatioprosessin optimointia.
