01Uvod
U proteklom desetljeću postignut je značajan napredak u istraživanju ultrabrzih pulsirajućih lasera, poboljšavajući njihovu stabilnost i fleksibilnost pri obradi. Iako kvaliteta obrade ultrabrzih pulsirajućih lasera može zadovoljiti potrebe mnogih aplikacija, još uvijek postoji nedostatak proizvodne učinkovitosti za scenarije industrijske primjene kada se za obradu koriste ultrabrzi pulsirajući (USP) laseri. Postoje dvije metode za poboljšanje USP obrade: 1) povećanjem energije pulsa; 2) povećanjem brzine ponavljanja pulsa. Proizvodna učinkovitost obrade materijala korištenjem USP lasera trebala bi se natjecati s drugim tehnologijama, stoga su istraživači uložili goleme napore u upravljanje energijom lasera izvan samog lasera. Za kontrolu položaja, smjera i oblika laserske zrake na izratku koriste se različiti mehanički i optički sustavi.
02Vibrirajuće ogledalo i skener poligona
Najrobusnije i najpovoljnije brzo pozicioniranje laserske zrake postiže se pomoću skenera galvanometra, koji naginje dva zrcala gotovo bez inercije u okomitom smjeru. Moderni galvanometarski skeneri s f-theta lećom žarišne duljine 160 mm mogu pomicati lasersku zraku brzinom od 20 m/s unutar vidnog polja od 100 mm x 100 mm. Pri takvim brzinama, sinkronizacija laserskog pulsa s kretanjem laserske zrake postaje izazovna. Poligonski skeneri naširoko se koriste za slikanje i čitanje barkodova, a još uvijek su novina u području obrade materijala. Oni mogu pomicati lasersku zraku preko površine obratka brzinom od 100–1000 m/s. Sinkronizacija USP laserskih impulsa s visoko stabilnom rotacijom poligona je zahtjevnija. Kombinacijom poligonskih skenera s jedno-osnim galvanometarskim skenerima, razvijen je brzi dvo{14}}dimenzionalni skener (Slika 1). Raspodjela kontinuiranih laserskih impulsa po cijelom području laserske obrade odvaja akumulaciju topline i učinke zaštite plazme.
03 Oblikovanje laserske zrake
Većina lasera emitira zrake s Gaussovim profilom zraka. Intenzitet je visok u središtu snopa, a manji na rubovima. Ova prostorna raspodjela energije nije korisna za mnoge primjene, posebno u obradi tankog filma. Tehnike oblikovanja laserske zrake i homogenizacije mogu optimizirati oblik za širok raspon primjena laserske obrade materijala. Difrakcijski optički elementi (DOE) mogu pretvoriti kružnu Gaussovu zraku u pravokutnu top-zraku, gdje veliki dio promjera zrake zadržava intenzitet, čime se osigurava oblik laserske zrake prikladan za proces, kao što je prikazano na slici 2.
Fleksibilna opcija za oblikovanje laserskih zraka je korištenje prostornih svjetlosnih modulatora (SLM) temeljenih na pikseliziranim uređajima s električno preklopnim tekućim kristalima. Računalno-generirani hologrami šalju se SLM kontrolnoj elektronici za postavljanje maski faze ili amplitude za lasersku zraku. SLM, u kombinaciji s femtosekundnim laserima, generira višestruke difraktirane zrake za paralelnu obradu, značajno povećavajući propusnost visoko-preciznog mikrostrukturiranja silicija i legura titana za više od deset puta.
Slika 2. Distribucija intenziteta kvadratne gornje laserske zrake formirane pomoću FBS-a i sferične leće (desno), izmjerena pomoću CCD kamere. Profil ulaznog snopa prikazan je lijevo. Prosječna izlazna snaga lasera je 12 W.
04 Sustav s više -zraka
Korištenje USP lasera velike snage s visokom stopom ponavljanja impulsa u rasponu MHz može dovesti do problema u zoni toplinskog udara, kao što je pregrijavanje i stvaranje taline, što može smanjiti kvalitetu ablacije. Postizanje visoke kvalitete ablacije zahtijeva pažljivo usklađivanje svih parametara procesa, ali velika brzina otklona snopa naprednih galvanometara ili poligonskih skenera ne osigurava uvijek precizna rješenja za mikro-strojnu obradu. U ovom slučaju višestruke laserske zrake nude svestrano rješenje za ablaciju velike snage, kao što je prikazano na slici 3, koja prikazuje rezultate paralelne obrade korištenjem rešetke stvorene s Dammannovom rešetkom za formiranje nizova ogibnih zraka 1×5 i 5×5.
Slika 3. (a) Kada su G1=0 i G2=125, laserski profilometar (Spiricon) promatrao je niz 1 × 5 (lijevo) i 5 × 5 (desno). (b) Slijepe rupe obrađene su na poliranim uzorcima Ti64 primjenom Dammannove rešetke 1 × 5 (lijevo) i 5 × 5 (desno) (G1=0, G2=125).
05 Sažetak
Laseri s ultrakratkim pulsom generiraju koherentne svjetlosne impulse s trajanjem impulsa u rasponu od pikosekundi do femtosekundi i postaju sve popularniji u preciznoj laserskoj mikro-strojnoj obradi. Oni imaju koristi ne samo od dobre prediktivne laserske ablacije koja potiskuje zonu-zahvaćene toplinom, već i od poboljšanih nelinearnih interakcija s materijalima, otvarajući nove mogućnosti obrade, posebno s prozirnim materijalima. Ukratko, razvoj lasera s ultrakratkim pulsom učinkovito je promovirao optimizaciju procesa ablacije.
