01Въведение
През последното десетилетие беше постигнат значителен напредък в изследването на ултрабързи импулсни лазери, подобрявайки тяхната стабилност и гъвкавост при обработка. Въпреки че качеството на обработка на ултрабързите импулсни лазери може да отговори на нуждите на много приложения, все още има липса на производствена ефективност за сценарии за индустриално приложение, когато се използват ултрабързи импулсни (USP) лазери за обработка. Има два метода за подобряване на обработката на USP: 1) чрез увеличаване на импулсната енергия; 2) чрез увеличаване на честотата на повторение на импулса. Производствената ефективност на обработката на материали с помощта на USP лазери трябва да се конкурира с други технологии, така че изследователите са положили огромни усилия в управлението на лазерната енергия извън самия лазер. Използват се различни механични и оптични системи за управление на позицията, посоката и формата на лазерния лъч върху детайла.
02 Вибриращо огледало и многоъгълен скенер
Най-здравото и удобно бързо позициониране на лазерния лъч се постига с помощта на галванометърен скенер, който накланя две огледала почти без инерция във вертикална посока. Съвременните скенери с галванометър с f-theta леща с фокусно разстояние 160 mm могат да движат лазерния лъч със скорост от 20 m/s в рамките на зрително поле 100 mm x 100 mm. При такива скорости синхронизирането на лазерния импулс с движението на лазерния лъч става предизвикателство. Многоъгълните скенери се използват широко за изображения и четене на баркодове и все още са нови в областта на обработката на материали. Те могат да движат лазерния лъч по повърхността на детайла със скорост 100–1000 m/s. Синхронизирането на USP лазерните импулси с високо стабилното въртене на многоъгълника е по-предизвикателно. Чрез комбиниране на многоъгълни скенери с галванометърни скенери с една-ос, беше разработен бърз дву{14}}измерен скенер (Фигура 1). Разпределението на непрекъснатите лазерни импулси в цялата зона на лазерна обработка отделя натрупването на топлина и ефектите на екраниране на плазмата.
03 Оформяне на лазерен лъч
Повечето лазери излъчват лъчи с профил на Гаус. Интензитетът е висок в центъра на лъча и по-нисък в краищата. Това пространствено разпределение на енергията не е от полза за много приложения, особено при обработката на тънък филм. Техниките за оформяне и хомогенизиране на лазерния лъч могат да оптимизират формата за широк спектър от приложения за обработка на лазерни материали. Дифракционните оптични елементи (DOE) могат да преобразуват кръгъл Гаусов лъч в правоъгълен горен-лъч, където голяма част от диаметъра на лъча запазва интензитета, като по този начин осигурява форма на лазерния лъч, подходяща за процеса, както е показано на Фигура 2.
Гъвкав вариант за оформяне на лазерни лъчи е използването на пространствени светлинни модулатори (SLM), базирани на пикселизирани устройства с електрически превключвани течни кристали. Компютърно{1}}генерираните холограми се предават към управляващата електроника на SLM, за да зададат фазови или амплитудни маски за лазерния лъч. SLM, във връзка с фемтосекундни лазери, генерира множество дифрактирани лъчи за паралелна обработка, като значително увеличава производителността на високо-прецизното микроструктуриране на силициеви и титанови сплави повече от десет пъти.
Фигура 2. Разпределение на интензитета на квадратен горен лазерен лъч, образуван с помощта на FBS и сферична леща (вдясно), измерено с помощта на CCD камера. Профилът на входния лъч е показан вляво. Средната изходна мощност на лазера е 12 W.
04 Система с множество-лъчи
Използването на високомощни USP лазери с висока честота на повторение на импулса в диапазона MHz може да доведе до проблеми със зоната на термично въздействие, като прегряване и образуване на стопилка, което може да намали качеството на аблация. Постигането на високо качество на аблация изисква внимателно съвпадение на всички параметри на процеса, но високата скорост на отклонение на лъча на усъвършенстваните галванометри или многоъгълни скенери не винаги осигурява прецизни решения за микро-обработка. В този случай множество лазерни лъчи предлагат универсално решение за аблация с висока мощност, както е показано на Фигура 3, която илюстрира резултатите от паралелна обработка с помощта на решетка, създадена с решетка на Dammann, за да се образуват дифракционни масиви от лъчи 1×5 и 5×5.
Фигура 3. (a) Когато G1=0 и G2=125, лазерен профилометър (Spiricon) наблюдава масив 1 × 5 (вляво) и 5 × 5 (вдясно). ( b ) Слепи дупки бяха обработени върху полирани Ti64 проби чрез прилагане на 1 × 5 (вляво) и 5 × 5 (вдясно) Dammann решетка (G 1=0, G 2=125).
05 Резюме
Лазерите с ултракъс импулс генерират кохерентни светлинни импулси с продължителност на импулса, варираща от пикосекунди до фемтосекунди, и стават все по-популярни в прецизната лазерна микро-обработка. Те се възползват не само от добра предсказуема лазерна аблация, която потиска засегнатата-засегната от топлина зона, но и от подобрени нелинейни взаимодействия с материали, отварящи нови възможности за обработка, особено с прозрачни материали. В обобщение, разработването на ултракъси импулсни лазери ефективно насърчи оптимизирането на процеса на аблация.
