01Introduksjon
I løpet av det siste tiåret har det blitt gjort betydelige fremskritt i forskningen på ultraraske pulserende lasere, som har forbedret deres prosesseringsstabilitet og fleksibilitet. Selv om behandlingskvaliteten til ultraraske pulsede lasere kan møte behovene til mange applikasjoner, er det fortsatt mangel på produksjonseffektivitet for industrielle applikasjonsscenarier ved bruk av ultrarask pulsede (USP) lasere for prosessering. Det er to metoder for å forbedre USP-prosessering: 1) ved å øke pulsenergien; 2) ved å øke pulsrepetisjonsfrekvensen. Produksjonseffektiviteten til materialbehandling ved bruk av USP-lasere bør konkurrere med andre teknologier, så forskere har lagt ned en enorm innsats i laserenergistyring utover selve laseren. Ulike mekaniske og optiske systemer brukes til å kontrollere posisjonen, retningen og formen til laserstrålen på arbeidsstykket.
02Vibrerende speil og polygonskanner
Den mest robuste og praktiske raske posisjoneringen av laserstrålen oppnås ved hjelp av en galvanometerskanner, som vipper to speil nesten uten treghet i vertikal retning. Moderne galvanometerskannere med en f-theta-linse på 160 mm brennvidde kan flytte laserstrålen med en hastighet på 20 m/s innenfor et synsfelt på 100 mm x 100 mm. Ved slike hastigheter blir det utfordrende å synkronisere laserpulsen med bevegelsen til laserstrålen. Polygonskannere er mye brukt til bildebehandling og strekkodelesing, og de er fortsatt nye innen materialbehandling. De kan flytte laserstrålen over arbeidsstykkets overflate med hastigheter på 100–1000 m/s. Synkroniseringen av USP-laserpulser med den svært stabile rotasjonen av polygonen er mer utfordrende. Ved å kombinere polygonskannere med galvanometerskannere med én-akse, ble det utviklet en rask todimensjonal skanner (figur 1). Fordelingen av kontinuerlige laserpulser over hele laserbehandlingsområdet frakobler varmeakkumulering og plasmaskjermingseffekter.
03 Laserstråleforming
De fleste lasere sender ut stråler med en Gaussisk stråleprofil. Intensiteten er høy i midten av strålen og lavere i kantene. Denne romlige energifordelingen er ikke gunstig for mange bruksområder, spesielt i tynnfilmbehandling. Laserstråleforming og homogeniseringsteknikker kan optimere formen for et bredt spekter av lasermaterialbehandlingsapplikasjoner. Diffraktive optiske elementer (DOEs) kan konvertere en sirkulær gaussisk stråle til en rektangulær topp-hattstråle, der en stor del av strålens diameter beholder intensiteten, og gir dermed en laserstråleform som er egnet for prosessen, som vist i figur 2.
Et fleksibelt alternativ for å forme laserstråler er å bruke romlige lysmodulatorer (SLM) basert på pikselerte enheter med elektrisk svitsjede flytende krystaller. Datagenererte-hologrammer overføres til SLM-kontrollelektronikken for å stille inn fase- eller amplitudemasker for laserstrålen. SLM, i forbindelse med femtosekundlasere, genererer flere diffrakterte stråler for parallell prosessering, noe som øker gjennomstrømningen av høy-mikrostrukturering av silisium og titanlegeringer med mer enn ti ganger betydelig.
Figur 2. Intensitetsfordelingen til en firkantet topplaserstråle dannet ved hjelp av en FBS og en sfærisk linse (til høyre), målt ved hjelp av et CCD-kamera. Inngangsstråleprofilen vises til venstre. Den gjennomsnittlige laserutgangseffekten er 12 W.
04 Fler-strålesystem
Bruk av høyeffekts USP-lasere med høy pulsrepetisjonshastighet i MHz-området kan føre til problemer med termiske påvirkningssoner, for eksempel overoppheting og smeltedannelse, noe som kan redusere ablasjonskvaliteten. Å oppnå høy ablasjonskvalitet krever nøye samsvar mellom alle prosessparametere, men den høye stråleavbøyningshastigheten til avanserte galvanometre eller polygonskannere gir ikke alltid nøyaktige mikro-bearbeidingsløsninger. I dette tilfellet tilbyr flere laserstråler en allsidig ablasjonsløsning med høy effekt, som vist i figur 3, som illustrerer resultatene av parallell prosessering ved bruk av et gitter laget med et Dammann-gitter for å danne diffraksjon 1 × 5 og 5 × 5 strålearrayer.
Figur 3. (a) Når G1=0 og G2=125, observerte et laserprofilometer (Spiricon) en 1 × 5 (venstre) og en 5 × 5 (høyre) oppstilling. (b) Blindhull ble behandlet på polerte Ti64-prøver ved å bruke et 1 × 5 (venstre) og et 5 × 5 (høyre) Dammann-rist (G1=0, G2=125).
05 Sammendrag
Ultrakorte pulslasere genererer koherente lyspulser med pulsvarighet som strekker seg fra pikosekunder til femtosekunder, og blir stadig mer populære innen presisjonslasermikro-bearbeiding. De drar ikke bare nytte av god prediktiv laserablasjon som undertrykker den varme-berørte sonen, men også av forbedret ikke-lineær interaksjon med materialer, noe som åpner for nye behandlingsmuligheter, spesielt med transparente materialer. Oppsummert har utviklingen av ultrakorte pulslasere effektivt fremmet optimaliseringen av ablasjonsprosessen.
