01Uvod
U protekloj deceniji postignut je značajan napredak u istraživanju ultrabrzih impulsnih lasera, poboljšavajući njihovu stabilnost i fleksibilnost obrade. Iako kvalitet obrade ultrabrzih impulsnih lasera može zadovoljiti potrebe mnogih aplikacija, još uvijek postoji nedostatak proizvodne efikasnosti za scenarije industrijske primjene kada se za obradu koriste ultrabrzi pulsni (USP) laseri. Postoje dvije metode za poboljšanje USP obrade: 1) povećanjem energije impulsa; 2) povećanjem brzine ponavljanja pulsa. Efikasnost proizvodnje obrade materijala pomoću USP lasera trebala bi se takmičiti s drugim tehnologijama, tako da su istraživači uložili ogromne napore u upravljanje laserskom energijom izvan samog lasera. Različiti mehanički i optički sistemi se koriste za kontrolu položaja, smjera i oblika laserskog snopa na radnom komadu.
02Vibrirajuće ogledalo i poligon skener
Najrobusnije i najprikladnije brzo pozicioniranje laserskog snopa postiže se korištenjem galvanometarskog skenera, koji naginje dva zrcala gotovo bez inercije u vertikalnom smjeru. Moderni galvanometarski skeneri sa f-theta sočivom od 160 mm žižne daljine mogu pomjerati laserski snop brzinom od 20 m/s unutar vidnog polja od 100 mm x 100 mm. Pri takvim brzinama, sinhronizacija laserskog impulsa sa kretanjem laserskog snopa postaje izazovna. Poligonski skeneri se naširoko koriste za snimanje slika i barkodova, a još uvijek su novi u području obrade materijala. Oni mogu pomerati laserski snop preko površine obratka brzinom od 100-1000 m/s. Sinhronizacija USP laserskih impulsa sa visoko stabilnom rotacijom poligona je izazovnija. Kombinacijom poligonskih skenera sa jednoosnim galvanometarskim skenerima, razvijen je brzi dvodimenzionalni skener (Slika 1). Distribucija kontinuiranih laserskih impulsa po cijeloj površini laserske obrade razdvaja akumulaciju topline i efekte zaštite plazme.
03 Oblikovanje laserskog snopa
Većina lasera emituje zrake sa Gausovim profilom snopa. Intenzitet je visok u središtu snopa i niži na rubovima. Ova prostorna raspodjela energije nije korisna za mnoge primjene, posebno u obradi tankog filma. Tehnike oblikovanja i homogenizacije laserskog snopa mogu optimizirati oblik za širok raspon primjena laserske obrade materijala. Difrakcijski optički elementi (DOE) mogu pretvoriti kružni Gaussov snop u pravougaoni snop{4}}, gdje veliki dio promjera snopa zadržava intenzitet, dajući tako oblik laserskog snopa prikladan za proces, kao što je prikazano na slici 2.
Fleksibilna opcija za oblikovanje laserskih zraka je korištenje prostornih modulatora svjetlosti (SLM) baziranih na pikseliziranim uređajima s električnim prebacivanjem tekućih kristala. Kompjuterski-generisani hologrami se prenose u SLM kontrolnu elektroniku kako bi postavili fazne ili amplitudne maske za laserski snop. SLM, u kombinaciji sa femtosekundnim laserima, generiše višestruke difrakcijske zrake za paralelnu obradu, značajno povećavajući propusnost visoko{3}}precizne mikrostrukturiranja silicijumskih i titanijumskih legura za više od deset puta.
Slika 2. Raspodjela intenziteta laserskog snopa kvadratnog vrha formiranog pomoću FBS-a i sfernog sočiva (desno), mjerena pomoću CCD kamere. Profil ulaznog snopa je prikazan na lijevoj strani. Prosječna izlazna snaga lasera je 12 W.
04 Multi{1}} sistem
Upotreba USP lasera velike snage sa velikom stopom ponavljanja impulsa u opsegu MHz može dovesti do problema sa zonama toplotnog udara, kao što je pregrijavanje i formiranje taline, što može smanjiti kvalitetu ablacije. Postizanje visokog kvaliteta ablacije zahtijeva pažljivo usklađivanje svih parametara procesa, ali velika brzina skretanja snopa naprednih galvanometara ili poligonskih skenera ne pruža uvijek precizna mikro{1}}rješenja za obradu. U ovom slučaju, višestruki laserski snopovi nude svestrano rješenje ablacije velike snage, kao što je prikazano na slici 3, koja ilustruje rezultate paralelne obrade korištenjem rešetke kreirane pomoću Dammannove rešetke za formiranje difrakcijskih 1×5 i 5×5 nizova zraka.
Slika 3. (a) Kada su G1=0 i G2=125, laserski profilometar (Spiricon) uočio niz 1 × 5 (lijevo) i 5 × 5 (desno). (b) Slijepe rupe su obrađene na poliranim uzorcima Ti64 primjenom Dammannove rešetke 1 × 5 (lijevo) i 5 × 5 (desno) (G1=0, G2=125).
05 Sažetak
Laseri ultrakratkih impulsa generiraju koherentne svjetlosne impulse s trajanjem impulsa u rasponu od pikosekundi do femtosekundi i postaju sve popularniji u preciznoj laserskoj mikro{0}}obradi. Oni imaju koristi ne samo od dobre prediktivne laserske ablacije koja potiskuje zonu{2}}zahvaćenu toplotom, već i od poboljšane nelinearne interakcije sa materijalima, otvarajući nove mogućnosti obrade, posebno sa transparentnim materijalima. Ukratko, razvoj ultrakratkih pulsnih lasera je efikasno promovisao optimizaciju procesa ablacije.
