01Введение
За последнее десятилетие был достигнут значительный прогресс в исследовании сверхбыстрых импульсных лазеров, что позволило повысить стабильность и гибкость их обработки. Хотя качество обработки сверхбыстрыми импульсными лазерами может удовлетворить потребности многих приложений, при использовании сверхбыстрых импульсных (USP) лазеров для обработки все еще недостает эффективности производства для сценариев промышленного применения. Существует два метода улучшения обработки УСП: 1) за счет увеличения энергии импульса; 2) за счет увеличения частоты повторения импульсов. Производственная эффективность обработки материалов с использованием лазеров USP должна конкурировать с другими технологиями, поэтому исследователи приложили огромные усилия для управления лазерной энергией за пределами самого лазера. Для контроля положения, направления и формы лазерного луча на заготовке используются различные механические и оптические системы.
02Виброзеркало и полигональный сканер
Наиболее надежное и удобное быстрое позиционирование лазерного луча достигается с помощью гальванометрического сканера, который практически без инерции наклоняет два зеркала в вертикальном направлении. Современные гальванометрические сканеры с ф-тета-линзой с фокусным расстоянием 160 мм могут перемещать лазерный луч со скоростью 20 м/с в поле зрения размером 100 х 100 мм. На таких скоростях синхронизация лазерного импульса с движением лазерного луча становится сложной задачей. Полигональные сканеры широко используются для визуализации и считывания штрих-кодов, и они все еще новы в области обработки материалов. Они могут перемещать лазерный луч по поверхности заготовки со скоростью 100–1000 м/с. Синхронизация лазерных импульсов УКИ с высокостабильным вращением многоугольника является более сложной задачей. Путем объединения полигональных сканеров с одноосными гальванометрическими сканерами был разработан быстрый двумерный сканер (рис. 1). Распределение непрерывных лазерных импульсов по всей зоне лазерной обработки отделяет эффекты накопления тепла и плазменной защиты.
03 Формирование лазерного луча
Большинство лазеров излучают лучи с гауссовым профилем луча. Интенсивность высока в центре луча и ниже по краям. Такое пространственное распределение энергии невыгодно для многих приложений, особенно при обработке тонких пленок. Методы формирования и гомогенизации лазерного луча могут оптимизировать форму для широкого спектра применений лазерной обработки материалов. Дифракционные оптические элементы (ДОЭ) могут преобразовывать круглый гауссов луч в прямоугольный луч с шляпой, при этом большая часть диаметра луча сохраняет интенсивность, обеспечивая тем самым форму лазерного луча, подходящую для этого процесса, как показано на рисунке 2.
Гибким вариантом формирования лазерных лучей является использование пространственных модуляторов света (ПМС) на основе пиксельных устройств с электрически переключаемыми жидкими кристаллами. Сгенерированные компьютером-голограммы передаются в управляющую электронику SLM для установки фазовой или амплитудной маски для лазерного луча. SLM в сочетании с фемтосекундными лазерами генерирует несколько дифрагированных лучей для параллельной обработки, значительно увеличивая производительность высокоточного микроструктурирования кремниевых и титановых сплавов более чем в десять раз.
Рисунок 2. Распределение интенсивности лазерного луча с квадратной вершиной, сформированного с помощью FBS и сферической линзы (справа), измеренное с помощью ПЗС-камеры. Профиль входного луча показан слева. Средняя выходная мощность лазера составляет 12 Вт.
04 Многолучевая-система
Использование мощных USP-лазеров с высокой частотой повторения импульсов в диапазоне МГц может привести к проблемам в зоне термического воздействия, таким как перегрев и образование расплава, что может снизить качество абляции. Достижение высокого качества абляции требует тщательного подбора всех параметров процесса, но высокая скорость отклонения луча современных гальванометров или полигональных сканеров не всегда обеспечивает точные решения микро-обработки. В этом случае несколько лазерных лучей представляют собой универсальное решение для абляции высокой мощности, как показано на рисунке 3, который иллюстрирует результаты параллельной обработки с использованием решетки, созданной с помощью решетки Даммана, для формирования массивов дифракционных лучей 1×5 и 5×5.
Рис. 3. (а) При G1=0 и G2=125 лазерный профилометр (Spiricon) наблюдал массивы 1 × 5 (слева) и 5 × 5 (справа). (б) Слепые отверстия обрабатывались на полированных образцах Ti64 с применением решетки Даммана 1 × 5 (слева) и 5 × 5 (справа) (G1=0, G2=125).
05 Резюме
Лазеры со сверхкороткими импульсами генерируют когерентные световые импульсы с длительностью от пикосекунд до фемтосекунд и становятся все более популярными в прецизионной лазерной микро-обработке. Они выигрывают не только от хорошей прогнозирующей лазерной абляции, которая подавляет зону теплового-воздействия, но и от улучшенного нелинейного взаимодействия с материалами, открывающего новые возможности обработки, особенно с прозрачными материалами. Таким образом, разработка лазеров ультракоротких импульсов эффективно способствовала оптимизации процесса абляции.
