01Wprowadzenie
W ostatniej dekadzie nastąpił znaczny postęp w badaniach nad ultraszybkimi laserami impulsowymi, poprawiającymi ich stabilność obróbki i elastyczność. Chociaż jakość przetwarzania ultraszybkich laserów impulsowych może zaspokoić potrzeby wielu zastosowań, nadal brakuje wydajności produkcji w scenariuszach zastosowań przemysłowych w przypadku stosowania do przetwarzania ultraszybkich laserów impulsowych (USP). Istnieją dwie metody usprawnienia przetwarzania USP: 1) poprzez zwiększenie energii impulsu; 2) poprzez zwiększenie częstotliwości powtarzania impulsów. Wydajność produkcyjna obróbki materiałów przy użyciu laserów USP powinna konkurować z innymi technologiami, dlatego badacze włożyli ogromny wysiłek w zarządzanie energią lasera poza samym laserem. Do kontrolowania położenia, kierunku i kształtu wiązki lasera na obrabianym przedmiocie stosuje się różne systemy mechaniczne i optyczne.
02Wibrujące lustro i skaner wielokątny
Najbardziej niezawodne i wygodne szybkie pozycjonowanie wiązki lasera osiąga się za pomocą skanera galwanometrycznego, który przechyla dwa zwierciadła prawie bez bezwładności w kierunku pionowym. Nowoczesne skanery galwanometryczne z soczewką f-theta o ogniskowej 160 mm mogą przesuwać wiązkę lasera z prędkością 20 m/s w polu widzenia o wymiarach 100 mm x 100 mm. Przy takich prędkościach synchronizacja impulsu lasera z ruchem wiązki lasera staje się wyzwaniem. Skanery wielokątne są szeroko stosowane do obrazowania i odczytu kodów kreskowych, a w dziedzinie obróbki materiałów są wciąż nowością. Potrafią przesuwać wiązkę lasera po powierzchni przedmiotu obrabianego z prędkością 100–1000 m/s. Synchronizacja impulsów laserowych USP z bardzo stabilnym obrotem wielokąta jest większym wyzwaniem. Łącząc skanery wielokątne z jednoosiowymi-skanerami galwanometrycznymi, opracowano szybki-skaner dwuwymiarowy (rysunek 1). Rozkład ciągłych impulsów laserowych w całym obszarze obróbki laserowej oddziela akumulację ciepła i efekty ekranowania plazmowego.
03 Kształtowanie wiązki laserowej
Większość laserów emituje wiązki o profilu gaussowskim. Intensywność jest wysoka w środku wiązki i niższa na krawędziach. Ten przestrzenny rozkład energii nie jest korzystny w wielu zastosowaniach, szczególnie w obróbce cienkowarstwowej. Techniki kształtowania wiązki laserowej i homogenizacji mogą zoptymalizować kształt dla szerokiego zakresu zastosowań w obróbce materiałów laserowych. Dyfrakcyjne elementy optyczne (DOE) mogą przekształcić okrągłą wiązkę Gaussa w prostokątną wiązkę-, w której duża część średnicy wiązki zachowuje intensywność, zapewniając w ten sposób kształt wiązki lasera odpowiedni dla procesu, jak pokazano na rysunku 2.
Elastyczną opcją kształtowania wiązek laserowych jest zastosowanie przestrzennych modulatorów światła (SLM) opartych na urządzeniach pikselowanych z elektrycznie przełączanymi ciekłymi kryształami. Wygenerowane komputerowo hologramy-są przesyłane do elektroniki sterującej SLM w celu ustawienia masek fazowych lub amplitudowych dla wiązki laserowej. SLM w połączeniu z laserami femtosekundowymi generuje wiele ugiętych wiązek do równoległego przetwarzania, znacznie zwiększając wydajność-precyzyjnej mikrostrukturyzacji stopów krzemu i tytanu ponad dziesięciokrotnie.
Rysunek 2. Rozkład intensywności kwadratowej górnej wiązki lasera utworzonej przy użyciu FBS i soczewki sferycznej (po prawej), mierzony kamerą CCD. Profil belki wejściowej pokazano po lewej stronie. Średnia moc wyjściowa lasera wynosi 12 W.
04 System-wielobelkowy
Stosowanie laserów USP o dużej mocy i dużej częstotliwości powtarzania impulsów w zakresie MHz może prowadzić do problemów w strefie wpływu termicznego, takich jak przegrzanie i tworzenie się stopu, co może obniżyć jakość ablacji. Osiągnięcie wysokiej jakości ablacji wymaga starannego dopasowania wszystkich parametrów procesu, ale duża prędkość odchylania wiązki zaawansowanych galwanometrów lub skanerów wielokątnych nie zawsze zapewnia precyzyjne rozwiązania w zakresie mikro-obróbki. W tym przypadku wiele wiązek laserowych zapewnia wszechstronne rozwiązanie ablacji o dużej mocy, jak pokazano na rysunku 3, który ilustruje wyniki równoległego przetwarzania przy użyciu siatki utworzonej za pomocą siatki Dammanna w celu utworzenia układów wiązek dyfrakcyjnych 1 × 5 i 5 × 5.
Rysunek 3. (a) Kiedy G1=0 i G2=125, profilometr laserowy (Spiricon) obserwował układ 1 × 5 (po lewej) i 5 × 5 (po prawej). (b) Ślepe otwory wykonano na wypolerowanych próbkach Ti64, stosując siatkę Dammanna 1 × 5 (po lewej) i 5 × 5 (po prawej) (G1=0, G2=125).
05 Podsumowanie
Lasery o ultrakrótkich impulsach generują spójne impulsy świetlne o czasie trwania impulsu od pikosekund do femtosekund i stają się coraz bardziej popularne w precyzyjnej mikro-obróbce laserowej. Korzystają nie tylko z dobrej predykcyjnej ablacji laserowej, która tłumi-strefę wpływu ciepła, ale także ze ulepszonych nieliniowych interakcji z materiałami, otwierając nowe możliwości przetwarzania, szczególnie w przypadku materiałów przezroczystych. Podsumowując, rozwój laserów o ultrakrótkich impulsach skutecznie przyczynił się do optymalizacji procesu ablacji.
