01 Introducere
În ultimul deceniu, s-au înregistrat progrese semnificative în cercetarea laserelor cu impulsuri ultrarapide, îmbunătățind stabilitatea și flexibilitatea procesării acestora. Deși calitatea prelucrării laserelor cu impulsuri ultrarapide poate satisface nevoile multor aplicații, există încă o lipsă de eficiență a producției pentru scenariile de aplicații industriale atunci când se utilizează lasere cu impulsuri ultrarapide (USP) pentru procesare. Există două metode pentru a îmbunătăți procesarea USP: 1) prin creșterea energiei pulsului; 2) prin creșterea frecvenței de repetare a pulsului. Eficiența producției de prelucrare a materialelor folosind lasere USP ar trebui să concureze cu alte tehnologii, astfel încât cercetătorii au depus un efort enorm în gestionarea energiei laser dincolo de laserul în sine. Sunt utilizate diverse sisteme mecanice și optice pentru a controla poziția, direcția și forma fasciculului laser pe piesa de prelucrat.
02Oglindă vibrantă și scaner poligonal
Cea mai robustă și convenabilă poziționare rapidă a fasciculului laser este realizată cu ajutorul unui scanner galvanometru, care înclină două oglinzi fără aproape nicio inerție în direcția verticală. Scanerele galvanometre moderne cu o lentilă f-theta cu o lungime focală de 160 mm pot mișca fasciculul laser cu o viteză de 20 m/s într-un câmp vizual de 100 mm x 100 mm. La astfel de viteze, sincronizarea pulsului laser cu mișcarea fasciculului laser devine o provocare. Scanerele poligonale sunt utilizate pe scară largă pentru imagini și citirea codurilor de bare și sunt încă noi în domeniul prelucrării materialelor. Ei pot muta fasciculul laser pe suprafața piesei de prelucrat la viteze de 100–1000 m/s. Sincronizarea impulsurilor laser USP cu rotația extrem de stabilă a poligonului este mai dificilă. Prin combinarea scanerelor poligonale cu scanere cu galvanometru cu o singură axă, a fost dezvoltat un scaner bidimensional rapid (Figura 1). Distribuția impulsurilor laser continue pe întreaga zonă de procesare laser decuplă acumularea de căldură și efectele de ecranare cu plasmă.
03 Modelarea fasciculului laser
Majoritatea laserelor emit fascicule cu un profil de fascicul Gaussian. Intensitatea este mare în centrul fasciculului și mai mică la margini. Această distribuție spațială a energiei nu este benefică pentru multe aplicații, în special în procesarea filmelor subțiri. Tehnicile de modelare și omogenizare a fasciculului laser pot optimiza forma pentru o gamă largă de aplicații de prelucrare a materialelor cu laser. Elementele optice difractive (DOEs) pot converti un fascicul Gaussian circular într-un fascicul superior-capelă dreptunghiular, unde o mare parte a diametrului fasciculului își păstrează intensitatea, oferind astfel o formă de fascicul laser adecvată procesului, așa cum se arată în Figura 2.
O opțiune flexibilă pentru modelarea fasciculelor laser este utilizarea modulatorilor de lumină spațială (SLM) bazați pe dispozitive pixelate cu cristale lichide comutate electric. Hologramele-generate de computer sunt transmise electronicelor de control SLM pentru a seta măști de fază sau amplitudine pentru fasciculul laser. SLM, împreună cu laserele de femtosecundă, generează mai multe fascicule difractate pentru procesare paralelă, crescând semnificativ de peste zece ori de mai mult de zece ori debitul microstructurării de înaltă-precizie a aliajelor de siliciu și titan.
Figura 2. Distribuția intensității unui fascicul laser pătrat superior format folosind un FBS și o lentilă sferică (dreapta), măsurată cu o cameră CCD. Profilul fasciculului de intrare este afișat în stânga. Puterea medie de ieșire a laserului este de 12 W.
04 Sistem multi-faze
Utilizarea laserelor USP de mare putere cu o rată mare de repetare a pulsului în intervalul MHz poate duce la probleme legate de zona de impact termic, cum ar fi supraîncălzirea și formarea topiturii, care pot reduce calitatea ablației. Obținerea unei calități ridicate de ablație necesită o potrivire atentă a tuturor parametrilor procesului, dar viteza mare de deviere a fasciculului a galvanometrelor avansate sau scanerelor poligonale nu oferă întotdeauna soluții precise de micro-prelucrare. În acest caz, fasciculele laser multiple oferă o soluție versatilă de ablație de mare putere, așa cum se arată în Figura 3, care ilustrează rezultatele prelucrării paralele folosind o rețea creată cu o rețea Dammann pentru a forma matrice de fascicule de difracție 1×5 și 5×5.
Figura 3. (a) Când G1=0 și G2=125, un profilometru laser (Spiricon) a observat o matrice 1 × 5 (stânga) și 5 × 5 (dreapta). (b) Găurile oarbe au fost prelucrate pe mostre de Ti64 lustruite prin aplicarea unui grătar Dammann 1 × 5 (stânga) și 5 × 5 (dreapta) (G1=0, G2=125).
05 Rezumat
Laserele cu impulsuri ultrascurte generează impulsuri de lumină coerente cu durate ale impulsului care variază de la picoseconde la femtosecunde și devin din ce în ce mai populare în microprelucrarea cu laser de precizie. Acestea beneficiază nu numai de o bună ablație cu laser predictivă care suprimă zona afectată de căldură-, ci și de interacțiuni neliniare îmbunătățite cu materialele, deschizând noi oportunități de procesare, în special cu materiale transparente. Pe scurt, dezvoltarea laserelor cu impulsuri ultrascurte a promovat eficient optimizarea procesului de ablație.
