01 Sissejuhatus
Viimasel kümnendil on ülikiirete impulsslaserite uurimisel tehtud olulisi edusamme, parandades nende töötlemise stabiilsust ja paindlikkust. Kuigi ülikiirete impulsslaserite töötlemiskvaliteet suudab rahuldada paljude rakenduste vajadusi, on ülikiirete impulsslaserite (USP) töötlemisel tööstuslike rakenduste stsenaariumide puhul endiselt puudulik tootmistõhusus. USP töötlemise tõhustamiseks on kaks meetodit: 1) impulsi energia suurendamine; 2) suurendades pulsi kordussagedust. USP-lasereid kasutava materjalitöötluse tootmistõhusus peaks konkureerima teiste tehnoloogiatega, nii et teadlased on laserenergia haldamisel laseri enda juhtimisel tohutult pingutanud. Laserkiire asukoha, suuna ja kuju juhtimiseks töödeldaval detailil kasutatakse erinevaid mehaanilisi ja optilisi süsteeme.
02Vibreeriv peegel ja hulknurga skanner
Laserkiire kõige robustsem ja mugavam kiire positsioneerimine saavutatakse galvanomeetri skanneriga, mis kallutab kahte peeglit peaaegu ilma inertsuseta vertikaalsuunas. Kaasaegsed galvanomeetriskannerid 160 mm fookuskaugusega f{1}}f{1}-objektiiviga suudavad liigutada laserkiirt kiirusega 20 m/s 100 mm x 100 mm vaateväljas. Sellistel kiirustel muutub laserimpulsi sünkroniseerimine laserkiire liikumisega keeruliseks. Polügooniskannereid kasutatakse laialdaselt pildistamiseks ja vöötkoodi lugemiseks ning need on materjali töötlemise valdkonnas veel uued. Nad suudavad liigutada laserkiirt üle tooriku pinna kiirusega 100–1000 m/s. USP laserimpulsside sünkroonimine polügooni väga stabiilse pöörlemisega on keerulisem. Kombineerides hulknurkskannereid ühe-teljega galvanomeetriga skanneritega, töötati välja kiire kahe{14}}dimensiooniline skanner (joonis 1). Pidevate laserimpulsside jaotus kogu laseritöötluspiirkonnas lahutab soojuse akumuleerumise ja plasma varjestusefektid.
03 Laserkiire kujundamine
Enamik lasereid kiirgab Gaussi kiire profiiliga kiiri. Intensiivsus on tala keskel kõrge ja servades madalam. Selline ruumiline energiajaotus ei ole paljude rakenduste jaoks kasulik, eriti õhukese kile töötlemisel. Laserkiire kujundamise ja homogeniseerimise tehnikad võivad kuju optimeerida paljude lasermaterjalide töötlemise rakenduste jaoks. Difraktiivsed optilised elemendid (DOE) võivad muuta ümmarguse Gaussi kiire ristkülikukujuliseks top{4}}kiireks, kus suur osa kiire läbimõõdust säilitab intensiivsuse, pakkudes seega protsessi jaoks sobiva laserkiire kuju, nagu on näidatud joonisel 2.
Paindlik võimalus laserkiirte kujundamiseks on kasutada ruumilisi valgusmodulaatoreid (SLM), mis põhinevad elektriliselt lülitatavate vedelkristallidega piksliga seadmetel. Arvuti-genereeritud hologrammid edastatakse SLM-i juhtelektroonikasse, et määrata laserkiire faasi- või amplituudimaskid. SLM koos femtosekundiliste laseritega genereerib paralleelseks töötlemiseks mitu difraktsiooniga kiirt, suurendades oluliselt räni- ja titaanisulamite ülitäpse mikrostruktureerimise läbilaskevõimet enam kui kümme korda.
Joonis 2. FBS-i ja sfäärilise läätse (paremal) abil moodustatud ruudukujulise ülemise laserkiire intensiivsuse jaotus, mõõdetuna CCD-kaameraga. Sisendkiire profiil on näidatud vasakul. Keskmine laseri väljundvõimsus on 12 W.
04 Mitme-kiirega süsteem
Suure võimsusega USP laserite kasutamine suure impulsi kordussagedusega MHz vahemikus võib põhjustada termilise mõju tsooni probleeme, nagu ülekuumenemine ja sulamise moodustumine, mis võib vähendada ablatsiooni kvaliteeti. Kõrge ablatsioonikvaliteedi saavutamiseks on vaja kõigi protsessiparameetrite hoolikat sobitamist, kuid täiustatud galvanomeetrite või hulknurkskannerite kiire läbipainde kiirus ei anna alati täpseid mikrotöötluslahendusi. Sel juhul pakuvad mitmed laserkiired mitmekülgset suure võimsusega ablatsioonilahendust, nagu on näidatud joonisel 3, mis illustreerib paralleelse töötlemise tulemusi, kasutades Dammanni restiga loodud võre difraktsiooni 1 × 5 ja 5 × 5 massiivi moodustamiseks.
Joonis 3. (a) Kui G1=0 ja G2=125, jälgis laserprofilomeeter (Spiricon) 1 × 5 (vasakul) ja 5 × 5 (paremal) massiivi. (b) Pimedaid auke töödeldi poleeritud Ti64 proovidel, rakendades 1 × 5 (vasakul) ja 5 × 5 (paremal) Dammanni võre (G1=0, G2=125).
05 Kokkuvõte
Ultralühikeste impulsslaserid genereerivad koherentseid valgusimpulsse, mille impulsi kestus on pikosekunditest femtosekunditeni, ja on muutumas täppislaseriga mikro{0}}töötluses üha populaarsemaks. Nad saavad kasu mitte ainult heast ennustavast laserablatsioonist, mis summutab kuumuse mõjuala, vaid ka täiustatud mittelineaarsest interaktsioonist materjalidega, avades uusi töötlemisvõimalusi, eriti läbipaistvate materjalide puhul. Kokkuvõttes on ultralühikeste impulsslaserite väljatöötamine tõhusalt edendanud ablatsiooniprotsessi optimeerimist.
