01 Uvod
V zadnjem desetletju je bil dosežen pomemben napredek pri raziskavah ultrahitrih impulznih laserjev, s čimer se je izboljšala njihova procesna stabilnost in fleksibilnost. Čeprav lahko kakovost obdelave ultrahitrih impulznih laserjev zadosti potrebam številnih aplikacij, še vedno obstaja pomanjkanje proizvodne učinkovitosti za scenarije industrijske uporabe pri uporabi ultrahitrih impulznih (USP) laserjev za obdelavo. Obstajata dve metodi za izboljšanje obdelave USP: 1) s povečanjem energije impulza; 2) s povečanjem stopnje ponavljanja pulza. Proizvodna učinkovitost obdelave materiala z uporabo laserjev USP bi morala tekmovati z drugimi tehnologijami, zato so raziskovalci vložili ogromno truda v lasersko upravljanje energije, ki presega sam laser. Za nadzor položaja, smeri in oblike laserskega žarka na obdelovancu se uporabljajo različni mehanski in optični sistemi.
02Vibrirajoče ogledalo in poligonski skener
Najbolj robustno in priročno hitro pozicioniranje laserskega žarka dosežemo z uporabo skenerja galvanometra, ki skoraj brez vztrajnosti nagne dve ogledali v navpični smeri. Sodobni galvanometrski skenerji z f-theta lečo z goriščno razdaljo 160 mm lahko premikajo laserski žarek s hitrostjo 20 m/s znotraj vidnega polja 100 mm x 100 mm. Pri takih hitrostih postane sinhronizacija laserskega impulza z gibanjem laserskega žarka zahtevna. Poligonski skenerji se pogosto uporabljajo za slikanje in branje črtnih kod, na področju obdelave materialov pa so še vedno novi. Laserski žarek lahko premikajo po površini obdelovanca s hitrostjo 100–1000 m/s. Sinhronizacija laserskih impulzov USP z visoko stabilno rotacijo poligona je zahtevnejša. S kombinacijo poligonskih skenerjev z eno-osnimi galvanometričnimi skenerji je bil razvit hiter dvo{14}}dimenzionalni skener (slika 1). Porazdelitev neprekinjenih laserskih impulzov po celotnem območju laserske obdelave ločuje akumulacijo toplote in učinke zaščite pred plazmo.
03 Oblikovanje laserskega žarka
Večina laserjev oddaja žarke z Gaussovim profilom žarkov. Intenzivnost je visoka na sredini žarka in manjša na robovih. Ta prostorska porazdelitev energije ni koristna za številne aplikacije, zlasti pri obdelavi tankih filmov. Tehnike oblikovanja laserskega žarka in homogenizacije lahko optimizirajo obliko za široko paleto aplikacij laserske obdelave materiala. Difrakcijski optični elementi (DOE) lahko pretvorijo krožni Gaussov žarek v pravokotni zgornji-žarek, kjer velik del premera žarka ohrani intenzivnost, s čimer zagotovi obliko laserskega žarka, primerno za postopek, kot je prikazano na sliki 2.
Prilagodljiva možnost za oblikovanje laserskih žarkov je uporaba prostorskih svetlobnih modulatorjev (SLM), ki temeljijo na pikseliranih napravah z električno preklopnimi tekočimi kristali. Računalni-ustvarjeni hologrami se prenesejo v krmilno elektroniko SLM za nastavitev faznih ali amplitudnih mask za laserski žarek. SLM v povezavi s femtosekundnimi laserji ustvarja več difraktiranih žarkov za vzporedno obdelavo, s čimer znatno poveča pretok visoko-natančnega mikrostrukturiranja silicijevih in titanovih zlitin za več kot desetkrat.
Slika 2. Porazdelitev intenzivnosti kvadratnega zgornjega laserskega žarka, oblikovanega s FBS in sferično lečo (desno), merjena s kamero CCD. Profil vhodnega žarka je prikazan na levi. Povprečna izhodna moč laserja je 12 W.
04 Več-sistem žarkov
Uporaba visoko zmogljivih laserjev USP z visoko stopnjo ponavljanja impulzov v območju MHz lahko povzroči težave z območjem toplotnega vpliva, kot sta pregrevanje in tvorba taline, kar lahko zmanjša kakovost ablacije. Doseganje visoke kakovosti ablacije zahteva skrbno ujemanje vseh procesnih parametrov, vendar visoka hitrost odklona žarka naprednih galvanometrov ali poligonskih skenerjev ne zagotavlja vedno natančnih mikro{1}}obdelovalnih rešitev. V tem primeru več laserskih žarkov ponuja vsestransko rešitev za ablacijo z visoko močjo, kot je prikazano na sliki 3, ki ponazarja rezultate vzporedne obdelave z uporabo rešetke, ustvarjene z Dammannovo rešetko za oblikovanje uklonskih nizov žarkov 1×5 in 5×5.
Slika 3. (a) Pri G1=0 in G2=125 je laserski profilometer (Spiricon) opazil niz 1 × 5 (levo) in 5 × 5 (desno). (b) Slepe luknje so bile obdelane na poliranih vzorcih Ti64 z uporabo Dammannove rešetke 1 × 5 (levo) in 5 × 5 (desno) (G 1=0, G 2=125).
05 Povzetek
Laserji z ultrakratkimi impulzi ustvarjajo koherentne svetlobne impulze s trajanjem impulza od pikosekund do femtosekund in postajajo vse bolj priljubljeni pri precizni laserski mikro-obdelavi. Ne koristijo jim le dobra prediktivna laserska ablacija, ki zavira toplotno-prizadeto območje, ampak tudi izboljšane nelinearne interakcije z materiali, kar odpira nove možnosti obdelave, zlasti s prozornimi materiali. Če povzamemo, je razvoj ultrakratkih impulznih laserjev učinkovito spodbudil optimizacijo procesa ablacije.
