01Úvod
V poslednom desaťročí sa dosiahol významný pokrok vo výskume ultrarýchlych pulzných laserov, čím sa zlepšila stabilita a flexibilita ich spracovania. Aj keď kvalita spracovania ultrarýchlych pulzných laserov môže uspokojiť potreby mnohých aplikácií, pri použití ultrarýchlych pulzných (USP) laserov na spracovanie stále chýba efektívnosť výroby pre scenáre priemyselných aplikácií. Existujú dva spôsoby na zlepšenie spracovania USP: 1) zvýšením energie impulzu; 2) zvýšením frekvencie opakovania pulzu. Výrobná efektivita spracovania materiálu pomocou USP laserov by mala konkurovať iným technológiám, takže výskumníci vynaložili obrovské úsilie na riadenie energie lasera nad rámec samotného lasera. Na kontrolu polohy, smeru a tvaru laserového lúča na obrobku sa používajú rôzne mechanické a optické systémy.
02Vibračné zrkadlo a polygónový skener
Najrobustnejšie a najpohodlnejšie rýchle polohovanie laserového lúča je dosiahnuté pomocou galvanometrického skenera, ktorý nakláňa dve zrkadlá takmer bez zotrvačnosti vo vertikálnom smere. Moderné galvanometrové skenery so šošovkou f{1}}theta s ohniskovou vzdialenosťou 160 mm dokážu pohybovať laserovým lúčom rýchlosťou 20 m/s v rámci zorného poľa 100 mm x 100 mm. Pri takýchto rýchlostiach je synchronizácia laserového impulzu s pohybom laserového lúča náročná. Polygónové skenery sú široko používané na zobrazovanie a čítanie čiarových kódov a sú stále novinkou v oblasti spracovania materiálov. Dokážu pohybovať laserovým lúčom po povrchu obrobku rýchlosťou 100–1000 m/s. Synchronizácia USP laserových impulzov s vysoko stabilnou rotáciou polygónu je náročnejšia. Kombináciou mnohouholníkových skenerov s jednoosými galvanometrickými skenermi bol vyvinutý rýchly dvojrozmerný{14} skener (obrázok 1). Distribúcia kontinuálnych laserových impulzov v celej oblasti laserového spracovania oddeľuje akumuláciu tepla a účinky tienenia plazmy.
03 Tvarovanie laserovým lúčom
Väčšina laserov vyžaruje lúče s Gaussovým profilom lúča. Intenzita je vysoká v strede lúča a nižšia na okrajoch. Toto priestorové rozloženie energie nie je výhodné pre mnohé aplikácie, najmä pri spracovaní tenkých vrstiev. Techniky tvarovania a homogenizácie laserovým lúčom môžu optimalizovať tvar pre širokú škálu aplikácií spracovania laserového materiálu. Difrakčné optické prvky (DOE) dokážu konvertovať kruhový Gaussov lúč na obdĺžnikový horný lúč, kde si veľká časť priemeru lúča zachováva intenzitu, čím poskytujú tvar laserového lúča vhodný pre tento proces, ako je znázornené na obrázku 2.
Flexibilnou možnosťou tvarovania laserových lúčov je použitie modulátorov priestorového svetla (SLM) založených na pixelovaných zariadeniach s elektricky prepínanými tekutými kryštálmi. Počítačom-vygenerované hologramy sa prenesú do riadiacej elektroniky SLM na nastavenie fázovej alebo amplitúdovej masky pre laserový lúč. SLM v spojení s femtosekundovými lasermi generuje viacnásobné difraktované lúče na paralelné spracovanie, čím sa výrazne zvyšuje priepustnosť vysoko presného mikroštruktúrovania kremíkových a titánových zliatin viac ako desaťnásobne.
Obrázok 2. Rozloženie intenzity štvorcového horného laserového lúča vytvoreného pomocou FBS a sférickej šošovky (vpravo), merané pomocou CCD kamery. Profil vstupného lúča je zobrazený vľavo. Priemerný výstupný výkon lasera je 12 W.
04 Viaclúčový-systém
Použitie vysokovýkonných USP laserov s vysokou frekvenciou opakovania impulzov v rozsahu MHz môže viesť k problémom so zónami tepelného nárazu, ako je prehriatie a tvorba taveniny, čo môže znížiť kvalitu ablácie. Dosiahnutie vysokej kvality ablácie si vyžaduje starostlivé zosúladenie všetkých parametrov procesu, ale rýchlosť vychyľovania vysokého lúča pokročilých galvanometrov alebo polygónových skenerov neposkytuje vždy presné mikro-obrábacie riešenia. V tomto prípade viacero laserových lúčov ponúka všestranné riešenie vysokovýkonnej ablácie, ako je znázornené na obrázku 3, ktorý ilustruje výsledky paralelného spracovania pomocou mriežky vytvorenej pomocou Dammannovej mriežky na vytvorenie difrakčných polí lúčov 1×5 a 5×5.
Obrázok 3. (a) Keď G1=0 a G2=125, laserový profilometer (Spiricon) pozoroval pole 1 × 5 (vľavo) a 5 × 5 (vpravo). (b) Slepé otvory boli spracované na leštených vzorkách Ti64 aplikáciou Dammannovej mriežky 1 × 5 (vľavo) a 5 × 5 (vpravo) (G1=0, G2=125).
05 Zhrnutie
Lasery s ultrakrátkymi impulzmi generujú koherentné svetelné impulzy s trvaním impulzov v rozsahu od pikosekúnd po femtosekundy a stávajú sa čoraz obľúbenejšími v presnom laserovom mikro-obrábaní. Ťažia nielen z dobrej prediktívnej laserovej ablácie, ktorá potláča tepelne-ovplyvnenú zónu, ale aj z vylepšených nelineárnych interakcií s materiálmi, čím sa otvárajú nové možnosti spracovania, najmä s priehľadnými materiálmi. Stručne povedané, vývoj ultrakrátkych pulzných laserov účinne podporil optimalizáciu ablačného procesu.
