01 Вступ
За останнє десятиліття було досягнуто значного прогресу в дослідженні надшвидких імпульсних лазерів, покращивши стабільність і гнучкість їх обробки. Незважаючи на те, що якість обробки надшвидких імпульсних лазерів може задовольнити потреби багатьох додатків, досі існує недостатня ефективність виробництва для сценаріїв промислового застосування при використанні ультрашвидких імпульсних (USP) лазерів для обробки. Існує два методи покращення обробки USP: 1) шляхом збільшення енергії імпульсу; 2) шляхом збільшення частоти повторення імпульсів. Виробнича ефективність обробки матеріалів за допомогою лазерів USP повинна конкурувати з іншими технологіями, тому дослідники доклали величезних зусиль для управління енергією лазера, окрім самого лазера. Для керування положенням, напрямком і формою лазерного променя на заготовці використовуються різні механічні та оптичні системи.
02Вібраційне дзеркало та багатокутний сканер
Найбільш надійне і зручне швидке позиціонування лазерного променя досягається за допомогою гальванометричного сканера, який практично без інерції нахиляє два дзеркала у вертикальному напрямку. Сучасні гальванометричні сканери з f-тета-лінзою з фокусною відстанню 160 мм можуть переміщувати лазерний промінь зі швидкістю 20 м/с у полі зору 100 мм x 100 мм. На таких швидкостях синхронізація лазерного імпульсу з рухом лазерного променя стає складною. Полігональні сканери широко використовуються для отримання зображень і зчитування штрих-кодів, і вони все ще є новинками в області обробки матеріалів. Вони можуть переміщувати лазерний промінь по поверхні заготовки зі швидкістю 100–1000 м/с. Синхронізація лазерних імпульсів USP із високостабільним обертанням багатокутника є більш складною. Поєднавши багатокутні сканери з одно-осьовими гальванометричними сканерами, було розроблено швидкий дво{14}}вимірний сканер (рис. 1). Розподіл безперервних лазерних імпульсів по всій зоні лазерної обробки роз’єднує ефекти накопичення тепла та екранування плазми.
03 Формування лазерного променя
Більшість лазерів випромінюють промені з профілем пучка Гауса. Інтенсивність висока в центрі променя і нижча по краях. Такий просторовий розподіл енергії не є вигідним для багатьох застосувань, особливо при обробці тонких плівок. Методи формування та гомогенізації лазерного променя можуть оптимізувати форму для широкого діапазону застосувань лазерної обробки матеріалів. Дифракційні оптичні елементи (DOE) можуть перетворювати круглий гаусівський промінь у прямокутний верх-промінь, де велика частина діаметра променя зберігає інтенсивність, таким чином забезпечуючи форму лазерного променя, яка підходить для процесу, як показано на малюнку 2.
Гнучким варіантом формування лазерних променів є використання просторових модуляторів світла (SLM) на основі піксельних пристроїв з електрично перемиканими рідкими кристалами. Згенеровані комп’ютером-голограми передаються в електроніку керування SLM для встановлення фазових або амплітудних масок для лазерного променя. SLM у поєднанні з фемтосекундними лазерами генерує численні дифраговані промені для паралельної обробки, значно збільшуючи пропускну здатність високо-мікроструктурування кремнієвих і титанових сплавів більш ніж у десять разів.
Малюнок 2. Розподіл інтенсивності квадратного верхнього лазерного променя, сформованого за допомогою FBS і сферичної лінзи (праворуч), виміряний за допомогою камери CCD. Профіль вхідного променя показаний ліворуч. Середня вихідна потужність лазера становить 12 Вт.
04 Багато{1}}променева система
Використання високопотужних лазерів USP із високою частотою повторення імпульсів у діапазоні МГц може призвести до проблем із зоною теплового впливу, таких як перегрів та утворення розплаву, що може погіршити якість абляції. Досягнення високої якості абляції вимагає ретельного узгодження всіх параметрів процесу, але висока швидкість відхилення променя передових гальванометрів або багатокутних сканерів не завжди забезпечує точні мікро-рішення для обробки. У цьому випадку кілька лазерних променів пропонують універсальне рішення для абляції високої потужності, як показано на малюнку 3, який ілюструє результати паралельної обробки з використанням решітки, створеної за допомогою решітки Даммана, для формування масивів дифракційних променів 1×5 і 5×5.
Рисунок 3. (a) Коли G1=0 і G2=125, лазерний профілометр (Spiricon) спостерігав масив 1 × 5 (ліворуч) і 5 × 5 (праворуч). (b) Гліпі отвори були оброблені на полірованих зразках Ti64 шляхом застосування 1 × 5 (ліворуч) і 5 × 5 (праворуч) решітки Даммана (G1=0, G2=125).
05 Підсумок
Лазери з надкороткими імпульсами генерують когерентні світлові імпульси з тривалістю від пікосекунд до фемтосекунд і стають дедалі популярнішими в прецизійній лазерній мікро-обробці. Вони виграють не лише від якісної прогнозованої лазерної абляції, яка пригнічує зону-термічного впливу, але й від покращеної нелінійної взаємодії з матеріалами, що відкриває нові можливості обробки, зокрема з прозорими матеріалами. Підсумовуючи, розробка ультракоротких імпульсних лазерів ефективно сприяла оптимізації процесу абляції.
