01 Indledning
I det sidste årti er der sket betydelige fremskridt i forskningen af ultrahurtige pulserende lasere, hvilket forbedrer deres behandlingsstabilitet og fleksibilitet. Selvom behandlingskvaliteten af ultrahurtige pulserende lasere kan opfylde behovene i mange applikationer, er der stadig en mangel på produktionseffektivitet for industrielle applikationsscenarier, når der bruges ultrahurtige pulserende (USP) lasere til behandling. Der er to metoder til at forbedre USP-behandling: 1) ved at øge pulsenergien; 2) ved at øge pulsgentagelseshastigheden. Produktionseffektiviteten af materialebehandling ved hjælp af USP-lasere bør konkurrere med andre teknologier, så forskere har lagt en enorm indsats i laserenergistyring ud over selve laseren. Forskellige mekaniske og optiske systemer bruges til at styre positionen, retningen og formen af laserstrålen på emnet.
02Vibrerende spejl og polygon scanner
Den mest robuste og bekvemme hurtige positionering af laserstrålen opnås ved hjælp af en galvanometerscanner, som vipper to spejle næsten uden inerti i lodret retning. Moderne galvanometerscannere med en f-theta-linse på 160 mm brændvidde kan flytte laserstrålen med en hastighed på 20 m/s inden for et synsfelt på 100 mm x 100 mm. Ved sådanne hastigheder bliver det udfordrende at synkronisere laserpulsen med laserstrålens bevægelse. Polygonscannere er meget brugt til billeddannelse og stregkodelæsning, og de er stadig nye inden for materialebehandling. De kan flytte laserstrålen hen over emnets overflade med hastigheder på 100-1000 m/s. Synkroniseringen af USP laserimpulser med den meget stabile rotation af polygonen er mere udfordrende. Ved at kombinere polygonscannere med galvanometerscannere med en enkelt-akse blev der udviklet en hurtig to-dimensionel scanner (figur 1). Fordelingen af kontinuerlige laserimpulser over hele laserbehandlingsområdet afkobler varmeakkumulering og plasmaafskærmningseffekter.
03 Laserstråleformning
De fleste lasere udsender stråler med en Gaussisk stråleprofil. Intensiteten er høj i midten af strålen og lavere ved kanterne. Denne rumlige energifordeling er ikke gavnlig til mange anvendelser, især i tyndfilmsbehandling. Laserstråleformnings- og homogeniseringsteknikker kan optimere formen til en bred vifte af lasermaterialebehandlingsapplikationer. Diffraktive optiske elementer (DOE'er) kan konvertere en cirkulær gaussisk stråle til en rektangulær top-hatstråle, hvor en stor del af strålens diameter bevarer intensiteten, hvilket giver en laserstråleform, der er egnet til processen, som vist i figur 2.
En fleksibel mulighed for at forme laserstråler er at bruge rumlige lysmodulatorer (SLM) baseret på pixelerede enheder med elektrisk skiftede flydende krystaller. Computer-genererede hologrammer transmitteres til SLM-kontrolelektronikken for at indstille fase- eller amplitudemasker for laserstrålen. SLM genererer sammen med femtosekundlasere flere diffrakterede stråler til parallel behandling, hvilket markant øger gennemløbet af høj-mikrostrukturering af silicium og titanlegeringer med mere end ti gange.
Figur 2. Intensitetsfordelingen af en firkantet toplaserstråle dannet ved hjælp af en FBS og en sfærisk linse (højre), målt ved hjælp af et CCD-kamera. Indgangsstråleprofilen er vist til venstre. Den gennemsnitlige laserudgangseffekt er 12 W.
04 Multi-strålesystem
Brug af højeffekt USP-lasere med en høj pulsgentagelseshastighed i MHz-området kan føre til problemer med termiske stødzoner, såsom overophedning og smeltedannelse, hvilket kan reducere ablationskvaliteten. At opnå høj ablationskvalitet kræver omhyggelig afstemning af alle procesparametre, men den høje stråleafbøjningshastighed af avancerede galvanometre eller polygonscannere giver ikke altid præcise mikro-bearbejdningsløsninger. I dette tilfælde tilbyder flere laserstråler en alsidig ablationsløsning med høj effekt, som vist i figur 3, som illustrerer resultaterne af parallel behandling ved hjælp af et gitter skabt med et Dammann-gitter for at danne diffraktion 1×5 og 5×5 strålearrays.
Figur 3. (a) Når G1=0 og G2=125, observerede et laserprofilometer (Spiricon) et 1 × 5 (venstre) og et 5 × 5 (højre) array. (b) Blindhuller blev behandlet på polerede Ti64-prøver ved at anvende et 1 × 5 (venstre) og et 5 × 5 (højre) Dammann-rist (G1=0, G2=125).
05 Resumé
Ultrakorte pulslasere genererer sammenhængende lysimpulser med pulsvarigheder fra picosekunder til femtosekunder og bliver stadig mere populære inden for præcisionslasermikro-bearbejdning. De drager ikke kun fordel af god forudsigelig laserablation, der undertrykker den varme-berørte zone, men også af forbedrede ikke-lineære interaktioner med materialer, hvilket åbner op for nye behandlingsmuligheder, især med transparente materialer. Sammenfattende har udviklingen af ultrakorte pulslasere effektivt fremmet optimeringen af ablationsprocessen.
