01 Bevezetés
Az elmúlt évtizedben jelentős előrelépés történt az ultragyors impulzuslézerek kutatásában, javítva azok feldolgozási stabilitását és rugalmasságát. Bár az ultragyors impulzuslézerek feldolgozási minősége számos alkalmazás igényeit kielégíti, még mindig hiányzik a termelés hatékonysága az ipari alkalmazásokhoz, amikor ultragyors impulzusú lézereket (USP) használnak a feldolgozáshoz. Két módszer létezik az USP feldolgozás javítására: 1) az impulzusenergia növelése; 2) a pulzusismétlési gyakoriság növelésével. Az USP lézereket használó anyagfeldolgozás termelési hatékonyságának versenyeznie kell más technológiákkal, ezért a kutatók hatalmas erőfeszítéseket tettek a lézeres energiagazdálkodás terén, túl a lézeren. A munkadarabon lévő lézersugár helyzetének, irányának és alakjának szabályozására különféle mechanikai és optikai rendszereket alkalmaznak.
02Rezgő tükör és poligon szkenner
A lézersugár legerősebb és legkényelmesebb gyors pozicionálása galvanométer szkennerrel érhető el, amely két tükröt szinte tehetetlenség nélkül dönt a függőleges irányban. A 160 mm-es gyújtótávolságú f-f{1}}-lencsével ellátott modern galvanométer-szkennerek 20 m/s sebességgel tudják mozgatni a lézersugarat 100 mm x 100 mm-es látómezőn belül. Ilyen sebességeknél kihívást jelent a lézerimpulzus szinkronizálása a lézersugár mozgásával. A sokszögletű szkennereket széles körben használják képalkotásra és vonalkód-leolvasásra, és még újak az anyagfeldolgozás területén. 100-1000 m/s sebességgel tudják mozgatni a lézersugarat a munkadarab felületén. Az USP lézerimpulzusok szinkronizálása a poligon rendkívül stabil forgásával nagyobb kihívást jelent. A poligon szkennerek egy-tengelyű galvanométeres szkennerekkel kombinálva egy gyors, kétdimenziós szkennert fejlesztettek ki (1. ábra). A folyamatos lézerimpulzusok eloszlása a teljes lézerfeldolgozási területen szétválasztja a hőfelhalmozódást és a plazmaárnyékoló hatást.
03 Lézersugár formázás
A legtöbb lézer Gauss sugárprofilú sugarakat bocsát ki. Az intenzitás magas a sugár közepén, és alacsonyabb a széleken. Ez a térbeli energiaeloszlás nem előnyös sok alkalmazásnál, különösen a vékonyréteg-feldolgozásnál. A lézersugár-alakítási és homogenizálási technikák optimalizálhatják a formát a lézeres anyagfeldolgozási alkalmazások széles körében. A diffrakciós optikai elemek (DOE) egy kör alakú Gauss-sugarat téglalap alakú felső{4}}sugaravá alakíthatnak, ahol a sugár átmérőjének nagy része megtartja az intenzitást, így a 2. ábrán látható módon a folyamathoz megfelelő lézersugár alakot biztosít.
A lézersugarak alakításának rugalmas lehetősége az elektromosan kapcsolt folyadékkristályokat tartalmazó pixeles eszközökön alapuló térbeli fénymodulátorok (SLM) alkalmazása. A számítógép-generált hologramokat továbbítják az SLM vezérlőelektronikába, hogy beállítsák a lézersugár fázis- vagy amplitúdómaszkját. Az SLM a femtoszekundumos lézerekkel együttműködve több diffrakciós sugarat állít elő párhuzamos feldolgozáshoz, jelentősen, több mint tízszeresére növelve a szilícium- és titánötvözetek nagy-precíziós mikrostrukturálásának teljesítményét.
2. ábra FBS és gömblencse (jobbra) felhasználásával kialakított négyzet alakú felső lézersugár intenzitáseloszlása, CCD kamerával mérve. A bemeneti sugárprofil a bal oldalon látható. Az átlagos lézerkimeneti teljesítmény 12 W.
04 Több-sugaras rendszer
A MHz-es tartományban nagy impulzusismétlési frekvenciájú, nagy teljesítményű USP lézerek használata termikus hatászóna-problémákat okozhat, például túlmelegedést és olvadékképződést, ami ronthatja az abláció minőségét. A magas ablációs minőség eléréséhez az összes folyamatparaméter gondos egyeztetése szükséges, de a fejlett galvanométerek vagy sokszögletű szkennerek nagy sugáreltérítési sebessége nem mindig biztosít precíz mikro{1}}megmunkálási megoldásokat. Ebben az esetben a többszörös lézersugarak sokoldalú, nagy teljesítményű ablációs megoldást kínálnak, amint az a 3. ábrán látható, amely a párhuzamos feldolgozás eredményeit szemlélteti egy Dammann-rács segítségével létrehozott ráccsal, amely diffrakciós 1 × 5 és 5 × 5 nyalábtömböt képez.
3. ábra (a) Amikor G1=0 és G2=125, egy lézeres profilométer (Spiricon) egy 1 × 5-ös (balra) és egy 5 × 5-ös (jobbra) tömböt figyelt meg. (b) Polírozott Ti64 mintákon zsákfuratokat dolgoztunk ki 1 × 5 (balra) és 5 × 5 (jobbra) Dammann-rács (G1=0, G2=125) alkalmazásával.
05 Összegzés
Az ultrarövid impulzuslézerek koherens fényimpulzusokat állítanak elő, amelyek impulzusideje pikoszekundumtól femtoszekundumig terjed, és egyre népszerűbbek a precíziós lézeres mikro{0}}megmunkálásban. Nemcsak a jó prediktív lézeres ablációból profitálnak, amely elnyomja a hőhatás-zónát, hanem az anyagokkal való fokozott nemlineáris kölcsönhatásból is, ami új feldolgozási lehetőségeket nyit meg, különösen az átlátszó anyagok esetében. Összefoglalva, az ultrarövid impulzuslézerek fejlesztése hatékonyan elősegítette az ablációs folyamat optimalizálását.
