01 Εισαγωγή
Την τελευταία δεκαετία, έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στην έρευνα των υπερταχέων παλμικών λέιζερ, βελτιώνοντας τη σταθερότητα και την ευελιξία επεξεργασίας τους. Αν και η ποιότητα επεξεργασίας των υπερταχέων παλμικών λέιζερ μπορεί να καλύψει τις ανάγκες πολλών εφαρμογών, εξακολουθεί να υπάρχει έλλειψη αποδοτικότητας παραγωγής για σενάρια βιομηχανικών εφαρμογών όταν χρησιμοποιούνται λέιζερ υπερταχείας παλμικής (USP) για επεξεργασία. Υπάρχουν δύο μέθοδοι για την ενίσχυση της επεξεργασίας USP: 1) αυξάνοντας την ενέργεια του παλμού. 2) αυξάνοντας τον ρυθμό επανάληψης παλμών. Η παραγωγική απόδοση της επεξεργασίας υλικών με χρήση λέιζερ USP θα πρέπει να ανταγωνίζεται άλλες τεχνολογίες, επομένως οι ερευνητές έχουν καταβάλει τεράστια προσπάθεια στη διαχείριση ενέργειας λέιζερ πέρα από το ίδιο το λέιζερ. Διάφορα μηχανικά και οπτικά συστήματα χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της θέσης, της κατεύθυνσης και του σχήματος της δέσμης λέιζερ στο τεμάχιο εργασίας.
02 Δονούμενος καθρέφτης και σαρωτής πολυγώνου
Η πιο στιβαρή και βολική γρήγορη τοποθέτηση της δέσμης λέιζερ επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας έναν σαρωτή γαλβανόμετρου, ο οποίος γέρνει δύο καθρέφτες χωρίς σχεδόν καμία αδράνεια στην κατακόρυφη κατεύθυνση. Οι σύγχρονοι σαρωτές γαλβανομέτρου με φακό f-θήτα εστιακού μήκους 160 mm μπορούν να μετακινήσουν τη δέσμη λέιζερ με ταχύτητα 20 m/s εντός οπτικού πεδίου 100 mm x 100 mm. Σε τέτοιες ταχύτητες, ο συγχρονισμός του παλμού λέιζερ με την κίνηση της δέσμης λέιζερ γίνεται πρόκληση. Οι σαρωτές πολυγώνων χρησιμοποιούνται ευρέως για απεικόνιση και ανάγνωση γραμμωτού κώδικα και είναι ακόμα νέοι στον τομέα της επεξεργασίας υλικού. Μπορούν να μετακινήσουν τη δέσμη λέιζερ στην επιφάνεια του τεμαχίου εργασίας με ταχύτητες 100–1000 m/s. Ο συγχρονισμός των παλμών λέιζερ USP με την εξαιρετικά σταθερή περιστροφή του πολυγώνου είναι πιο δύσκολος. Συνδυάζοντας σαρωτές πολυγώνων με σαρωτές γαλβανομέτρου μονού άξονα-αναπτύχθηκε ένας γρήγορος σαρωτής δύο-διαστάσεων (Εικόνα 1). Η κατανομή των συνεχών παλμών λέιζερ σε ολόκληρη την περιοχή επεξεργασίας λέιζερ αποσυνδέει τη συσσώρευση θερμότητας και τα φαινόμενα θωράκισης του πλάσματος.
03 Διαμόρφωση δέσμης λέιζερ
Τα περισσότερα λέιζερ εκπέμπουν δέσμες με προφίλ ακτίνας Gauss. Η ένταση είναι υψηλή στο κέντρο της δοκού και χαμηλότερη στις άκρες. Αυτή η κατανομή χωρικής ενέργειας δεν είναι επωφελής για πολλές εφαρμογές, ειδικά στην επεξεργασία λεπτής μεμβράνης. Οι τεχνικές διαμόρφωσης και ομογενοποίησης δέσμης λέιζερ μπορούν να βελτιστοποιήσουν το σχήμα για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών επεξεργασίας υλικού λέιζερ. Τα διαθλαστικά οπτικά στοιχεία (DOEs) μπορούν να μετατρέψουν μια κυκλική δέσμη Gauss σε μια ορθογώνια δέσμη κορυφής-, όπου ένα μεγάλο μέρος της διαμέτρου της δέσμης διατηρεί την ένταση, παρέχοντας έτσι ένα σχήμα δέσμης λέιζερ κατάλληλο για τη διαδικασία, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.
Μια ευέλικτη επιλογή για τη διαμόρφωση ακτίνων λέιζερ είναι η χρήση χωρικών διαμορφωτών φωτός (SLM) που βασίζονται σε συσκευές pixelated με ηλεκτρικά εναλλασσόμενους υγρούς κρυστάλλους. Τα ολογράμματα που δημιουργούνται από υπολογιστή-μεταδίδονται στα ηλεκτρονικά συστήματα ελέγχου SLM για να ορίσουν μάσκες φάσης ή πλάτους για την ακτίνα λέιζερ. Το SLM, σε συνδυασμό με λέιζερ femtosecond, παράγει πολλαπλές δέσμες περίθλασης για παράλληλη επεξεργασία, αυξάνοντας σημαντικά την απόδοση της μικροδομής υψηλής ακρίβειας του πυριτίου και των κραμάτων τιτανίου κατά περισσότερο από δέκα φορές.
Σχήμα 2. Η κατανομή της έντασης μιας τετράγωνης άνω δέσμης λέιζερ που σχηματίζεται χρησιμοποιώντας ένα FBS και έναν σφαιρικό φακό (δεξιά), που μετρήθηκε χρησιμοποιώντας μια κάμερα CCD. Το προφίλ της δέσμης εισόδου εμφανίζεται στα αριστερά. Η μέση ισχύς εξόδου λέιζερ είναι 12 W.
04 Σύστημα πολλαπλών δέσμης-
Η χρήση λέιζερ USP υψηλής ισχύος με υψηλό ρυθμό επανάληψης παλμών στο εύρος MHz μπορεί να οδηγήσει σε προβλήματα στη ζώνη θερμικής πρόσκρουσης, όπως υπερθέρμανση και σχηματισμό τήγματος, που μπορεί να μειώσει την ποιότητα της κατάλυσης. Η επίτευξη υψηλής ποιότητας αφαίρεσης απαιτεί προσεκτική αντιστοίχιση όλων των παραμέτρων της διαδικασίας, αλλά η ταχύτητα εκτροπής της μεγάλης δέσμης προηγμένων γαλβανομέτρων ή σαρωτών πολυγώνων δεν παρέχει πάντα ακριβείς μικρο-λύσεις μηχανικής κατεργασίας. Σε αυτή την περίπτωση, οι πολλαπλές ακτίνες λέιζερ προσφέρουν μια ευέλικτη λύση αφαίρεσης υψηλής ισχύος, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3, η οποία απεικονίζει τα αποτελέσματα της παράλληλης επεξεργασίας χρησιμοποιώντας ένα πλέγμα που δημιουργήθηκε με ένα πλέγμα Dammann για να σχηματιστούν σειρές δέσμης περίθλασης 1×5 και 5×5.
Εικόνα 3. (α) Όταν οι G1=0 και G2=125, ένα προφίλόμετρο λέιζερ (Spiricon) παρατήρησε μια διάταξη 1 × 5 (αριστερά) και 5 × 5 (δεξιά). (β) Οι τυφλές οπές επεξεργάστηκαν σε γυαλισμένα δείγματα Ti64 εφαρμόζοντας μια σχάρα Dammann 1 × 5 (αριστερά) και 5 × 5 (δεξιά) (G1=0, G2=125).
05 Περίληψη
Τα λέιζερ υπερμικρών παλμών παράγουν συνεκτικούς παλμούς φωτός με διάρκεια παλμού που κυμαίνονται από picoseconds έως femtoseconds και γίνονται ολοένα και πιο δημοφιλή στην κατεργασία με λέιζερ μικρο-ακριβείας. Επωφελούνται όχι μόνο από την καλή προγνωστική αφαίρεση με λέιζερ που καταστέλλει τη ζώνη-που επηρεάζεται από τη θερμότητα, αλλά και από τις βελτιωμένες μη γραμμικές αλληλεπιδράσεις με υλικά, ανοίγοντας νέες ευκαιρίες επεξεργασίας, ιδιαίτερα με διαφανή υλικά. Συνοπτικά, η ανάπτυξη υπερμικρών παλμικών λέιζερ έχει προωθήσει αποτελεσματικά τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας κατάλυσης.
