01Úvod
V posledním desetiletí byl učiněn významný pokrok ve výzkumu ultrarychlých pulzních laserů, které zlepšily stabilitu a flexibilitu jejich zpracování. Přestože kvalita zpracování ultrarychlých pulzních laserů může uspokojit potřeby mnoha aplikací, stále existuje nedostatečná efektivita výroby pro scénáře průmyslových aplikací při použití ultrarychlých pulzních (USP) laserů pro zpracování. Existují dva způsoby, jak zlepšit zpracování USP: 1) zvýšením energie pulzu; 2) zvýšením frekvence opakování pulsu. Výrobní efektivita zpracování materiálu pomocí USP laserů by měla konkurovat jiným technologiím, takže výzkumníci vynaložili obrovské úsilí na řízení laserové energie nad rámec samotného laseru. Pro řízení polohy, směru a tvaru laserového paprsku na obrobku se používají různé mechanické a optické systémy.
02Vibrační zrcadlo a polygonový skener
Nejrobustnějšího a nejpohodlnějšího rychlého polohování laserového paprsku je dosaženo pomocí galvanometrového skeneru, který naklání dvě zrcadla téměř bez setrvačnosti ve vertikálním směru. Moderní galvanometrické skenery s čočkou f{1}}theta o ohniskové vzdálenosti 160 mm mohou pohybovat laserovým paprskem rychlostí 20 m/s v zorném poli 100 mm x 100 mm. Při takových rychlostech se stává synchronizace laserového pulsu s pohybem laserového paprsku náročná. Polygonové skenery jsou široce používány pro zobrazování a čtení čárových kódů a jsou stále novinkou v oblasti zpracování materiálů. Mohou pohybovat laserovým paprskem po povrchu obrobku rychlostí 100–1000 m/s. Synchronizace USP laserových pulsů s vysoce stabilní rotací polygonu je náročnější. Kombinací polygonových skenerů s jednoosými galvanometrickými skenery byl vyvinut rychlý dvourozměrný{14} skener (obrázek 1). Distribuce kontinuálních laserových pulsů po celé oblasti laserového zpracování odděluje akumulaci tepla a efekty stínění plazmatu.
03 Tvarování laserovým paprskem
Většina laserů vysílá paprsky s Gaussovým profilem paprsku. Intenzita je vysoká ve středu paprsku a nižší na okrajích. Tato prostorová distribuce energie není výhodná pro mnoho aplikací, zejména při zpracování tenkých vrstev. Techniky tvarování a homogenizace laserového paprsku mohou optimalizovat tvar pro širokou škálu aplikací zpracování laserového materiálu. Difrakční optické prvky (DOE) dokážou převést kruhový Gaussův paprsek na obdélníkový paprsek, kde si velká část průměru paprsku zachovává intenzitu, a poskytují tak tvar laserového paprsku vhodný pro proces, jak je znázorněno na obrázku 2.
Flexibilní možností pro tvarování laserových paprsků je použití modulátorů prostorového světla (SLM) založených na pixelovaných zařízeních s elektricky přepínanými tekutými krystaly. Počítačem-generované hologramy jsou přenášeny do řídicí elektroniky SLM za účelem nastavení fázových nebo amplitudových masek pro laserový paprsek. SLM ve spojení s femtosekundovými lasery generuje několik difraktovaných paprsků pro paralelní zpracování, čímž výrazně zvyšuje propustnost vysoce přesného mikrostrukturování křemíkových a titanových slitin více než desetkrát.
Obrázek 2. Rozložení intenzity čtvercového horního laserového paprsku vytvořeného pomocí FBS a sférické čočky (vpravo), měřeno pomocí CCD kamery. Profil vstupního paprsku je zobrazen vlevo. Průměrný výstupní výkon laseru je 12 W.
04 Vícepaprskový-systém
Použití vysoce výkonných USP laserů s vysokou frekvencí opakování pulsů v rozsahu MHz může vést k problémům se zónou tepelného dopadu, jako je přehřátí a tvorba taveniny, což může snížit kvalitu ablace. Dosažení vysoké kvality ablace vyžaduje pečlivé sladění všech parametrů procesu, ale rychlost vychylování vysokého paprsku pokročilých galvanometrů nebo polygonových skenerů ne vždy poskytuje přesná mikro-řešení pro obrábění. V tomto případě více laserových paprsků nabízí všestranné řešení ablace s vysokým výkonem, jak je znázorněno na obrázku 3, který ilustruje výsledky paralelního zpracování pomocí mřížky vytvořené pomocí Dammannovy mřížky pro vytvoření difrakčních paprskových polí 1×5 a 5×5.
Obrázek 3. (a) Když G1=0 a G2=125, laserový profilometr (Spiricon) pozoroval pole 1 × 5 (vlevo) a 5 × 5 (vpravo). (b) Slepé otvory byly zpracovány na leštěných vzorcích Ti64 aplikací Dammannovy mřížky 1 × 5 (vlevo) a 5 × 5 (vpravo) (G1=0, G2=125).
05 Shrnutí
Lasery s ultrakrátkým pulsem generují koherentní světelné pulsy s trváním pulsů od pikosekund po femtosekundy a stávají se stále oblíbenějšími v oblasti přesného laserového mikro-obrábění. Těží nejen z dobré prediktivní laserové ablace, která potlačuje tepelně-ovlivněnou zónu, ale také z lepších nelineárních interakcí s materiály, což otevírá nové možnosti zpracování, zejména s transparentními materiály. Stručně řečeno, vývoj laserů s ultrakrátkým pulzem účinně podpořil optimalizaci ablačního procesu.
