01Introduktion
Under det senaste decenniet har betydande framsteg gjorts i forskningen om ultrasnabba pulsade lasrar, vilket förbättrar deras bearbetningsstabilitet och flexibilitet. Även om bearbetningskvaliteten för ultrasnabba pulsade lasrar kan möta behoven hos många applikationer, finns det fortfarande en brist på produktionseffektivitet för industriella tillämpningsscenarier när ultrasnabb pulsade (USP) lasrar används för bearbetning. Det finns två metoder för att förbättra USP-bearbetning: 1) genom att öka pulsenergin; 2) genom att öka pulsrepetitionsfrekvensen. Produktionseffektiviteten för materialbearbetning med USP-lasrar bör konkurrera med andra teknologier, så forskare har lagt enorma ansträngningar på laserenergihantering utöver själva lasern. Olika mekaniska och optiska system används för att styra position, riktning och form av laserstrålen på arbetsstycket.
02Vibrerande spegel och polygonskanner
Den mest robusta och bekväma snabba positioneringen av laserstrålen uppnås med hjälp av en galvanometerskanner, som lutar två speglar nästan utan tröghet i vertikal riktning. Moderna galvanometerskannrar med en f-theta-lins med 160 mm brännvidd kan flytta laserstrålen med en hastighet av 20 m/s inom ett synfält på 100 mm x 100 mm. Vid sådana hastigheter blir det utmanande att synkronisera laserpulsen med laserstrålens rörelse. Polygonskannrar används ofta för bildbehandling och streckkodsläsning, och de är fortfarande nya inom materialbearbetning. De kan flytta laserstrålen över arbetsstyckets yta med hastigheter på 100–1000 m/s. Synkroniseringen av USP-laserpulser med den mycket stabila rotationen av polygonen är mer utmanande. Genom att kombinera polygonskannrar med en--galvanometerskannrar utvecklades en snabb två-dimensionell skanner (Figur 1). Fördelningen av kontinuerliga laserpulser över hela laserbehandlingsområdet frikopplar värmeackumulering och plasmaskärmningseffekter.
03 Laserstråleformning
De flesta lasrar sänder ut strålar med en Gaussisk strålprofil. Intensiteten är hög i mitten av strålen och lägre vid kanterna. Denna rumsliga energifördelning är inte fördelaktig för många tillämpningar, speciellt vid tunnfilmsbehandling. Laserstråleformning och homogeniseringstekniker kan optimera formen för ett brett utbud av lasermaterialbearbetningsapplikationer. Diffraktiva optiska element (DOEs) kan omvandla en cirkulär gaussisk stråle till en rektangulär topp-hattstråle, där en stor del av strålens diameter bibehåller intensiteten, vilket ger en laserstråleform som är lämplig för processen, som visas i figur 2.
Ett flexibelt alternativ för att forma laserstrålar är att använda spatial light modulators (SLM) baserade på pixelerade enheter med elektriskt kopplade flytande kristaller. Datorgenererade-hologram sänds till SLM-styrelektroniken för att ställa in fas- eller amplitudmasker för laserstrålen. SLM, i kombination med femtosekundlasrar, genererar flera diffrakterade strålar för parallell bearbetning, vilket avsevärt ökar genomströmningen av hög-mikrostrukturering av kisel och titanlegeringar med mer än tio gånger.
Figur 2. Intensitetsfördelningen av en fyrkantig topplaserstråle bildad med hjälp av en FBS och en sfärisk lins (höger), mätt med en CCD-kamera. Ingångsstrålens profil visas till vänster. Den genomsnittliga laseruteffekten är 12 W.
04 Multi-system
Användning av högeffekts USP-lasrar med hög pulsrepetitionsfrekvens i MHz-området kan leda till problem med termiska stötzoner, såsom överhettning och smältbildning, vilket kan minska ablationskvaliteten. För att uppnå hög ablationskvalitet krävs noggrann matchning av alla processparametrar, men den höga strålavböjningshastigheten hos avancerade galvanometrar eller polygonskannrar ger inte alltid exakta mikro-bearbetningslösningar. I det här fallet erbjuder flera laserstrålar en mångsidig ablationslösning med hög effekt, som visas i figur 3, som illustrerar resultaten av parallell bearbetning med hjälp av ett gitter skapat med ett Dammann-gitter för att bilda diffraktion 1×5 och 5×5 strålarrayer.
Figur 3. (a) När G1=0 och G2=125 observerade en laserprofilometer (Spiricon) en 1 × 5 (vänster) och en 5 × 5 (höger) array. (b) Blindhål bearbetades på polerade Ti64-prover genom att applicera ett 1 × 5 (vänster) och ett 5 × 5 (höger) Dammann-gitter (G1=0, G2=125).
05 Sammanfattning
Ultrakorta pulslasrar genererar koherenta ljuspulser med pulslängder som sträcker sig från pikosekunder till femtosekunder, och blir allt mer populära inom precisionslasermikro-bearbetning. De drar nytta inte bara av god prediktiv laserablation som undertrycker den värmepåverkade zonen, utan också av förbättrad olinjär interaktion med material, vilket öppnar upp för nya bearbetningsmöjligheter, särskilt med transparenta material. Sammanfattningsvis har utvecklingen av ultrakorta pulslasrar effektivt främjat optimeringen av ablationsprocessen.
