01מבוא
בעשור האחרון חלה התקדמות משמעותית במחקר של לייזרים פולסים מהירים במיוחד, המשפרים את יציבות העיבוד והגמישות שלהם. למרות שאיכות העיבוד של לייזרים פועמים מהירים במיוחד יכולה לענות על הצרכים של יישומים רבים, עדיין קיימת חוסר ביעילות ייצור עבור תרחישים של יישומים תעשייתיים בעת שימוש בלייזרים פולסים מהירים במיוחד (USP) לעיבוד. ישנן שתי שיטות לשיפור עיבוד USP: 1) על ידי הגדלת אנרגיית הדופק; 2) על ידי הגדלת קצב החזרות על הדופק. יעילות הייצור של עיבוד חומרים באמצעות לייזרים USP אמורה להתחרות בטכנולוגיות אחרות, ולכן החוקרים השקיעו מאמץ עצום בניהול אנרגיית הלייזר מעבר ללייזר עצמו. מערכות מכניות ואופטיות שונות משמשות לשליטה על המיקום, הכיוון והצורה של קרן הלייזר על חומר העבודה.
02 מראה רוטטת וסורק מצולע
המיקום המהיר והנוח ביותר של קרן הלייזר מושג באמצעות סורק גלוונומטר, המטה שתי מראות כמעט ללא אינרציה בכיוון האנכי. סורקי גלוונומטר מודרניים עם עדשת f-תטא באורך מוקד של 160 מ"מ יכולים להזיז את קרן הלייזר במהירות של 20 מ"מ לשנייה בתוך שדה ראייה של 100 מ"מ על 100 מ"מ. במהירויות כאלה, סנכרון דופק הלייזר עם תנועת קרן הלייזר הופך למאתגר. סורקי מצולע נמצאים בשימוש נרחב להדמיה ולקריאת ברקוד, והם עדיין חדשים בתחום עיבוד החומר. הם יכולים להזיז את קרן הלייזר על פני משטח העבודה במהירויות של 100-1000 מ' לשנייה. הסנכרון של פולסי לייזר USP עם הסיבוב היציב ביותר של המצולע הוא מאתגר יותר. על ידי שילוב של סורקי מצולעים עם סורקי גלוונומטר בציר- יחיד, פותח סורק דו-מימדי מהיר (איור 1). ההפצה של פולסי לייזר רציפים על פני כל אזור עיבוד הלייזר מנתקת הצטברות חום והשפעות מיגון פלזמה.
03 עיצוב קרן לייזר
רוב הלייזרים פולטים קרניים בעלות פרופיל קרן גאוס. העוצמה גבוהה במרכז הקורה ונמוכה יותר בקצוות. חלוקת אנרגיה מרחבית זו אינה מועילה ליישומים רבים, במיוחד בעיבוד סרט דק. טכניקות עיצוב והומוגניות של קרן לייזר יכולות לייעל את הצורה עבור מגוון רחב של יישומי עיבוד חומרי לייזר. אלמנטים אופטיים עקיפים (DOEs) יכולים להמיר קרן גאוס מעגלית לקרן כובע עליונה- מלבנית, שבה חלק גדול מקוטר הקרן שומר על עוצמתה, ובכך לספק צורת קרן לייזר המתאימה לתהליך, כפי שמוצג באיור 2.
אפשרות גמישה לעיצוב קרני לייזר היא שימוש במאפני אור מרחביים (SLM) המבוססים על מכשירים עם פיקסלים עם גבישים נוזליים עם מיתוג חשמלי. הולוגרמות שנוצרו על ידי-מחשב משודרות לאלקטרוניקת בקרת SLM כדי להגדיר מסכות פאזה או משרעת עבור קרן הלייזר. ה-SLM, בשילוב עם לייזרים פמטו-שניות, מייצר קרניים מפוזרות מרובות לעיבוד מקביל, מה שמגדיל באופן משמעותי את התפוקה של מיקרו-מבנה דיוק- גבוה של סגסוגות סיליקון וטיטניום ביותר מפי עשרה.
איור 2. התפלגות העוצמה של קרן לייזר עליונה מרובעת שנוצרה באמצעות FBS ועדשה כדורית (מימין), הנמדדת באמצעות מצלמת CCD. פרופיל אלומת הכניסה מוצג בצד שמאל. הספק הלייזר הממוצע הוא 12 וואט.
04 מערכת רב-אלומות
שימוש בלייזרי USP בהספק גבוה עם קצב חזרות גבוה של דופק בתחום ה-MHz עלול להוביל לבעיות באזור ההשפעה התרמית, כגון התחממות יתר והיווצרות נמס, מה שעלול להפחית את איכות האבלציה. השגת איכות אבלציה גבוהה דורשת התאמה קפדנית של כל פרמטרי התהליך, אך מהירות הסטת האלומה הגבוהה של סורקי גלוונומטרים או סורקי מצולעים מתקדמים לא תמיד מספקת פתרונות מיקרו-לעיבוד מדויקים. במקרה זה, קרני לייזר מרובות מציעות פתרון אבלציה רב-תכליתי, כפי שמוצג באיור 3, הממחיש את התוצאות של עיבוד מקביל באמצעות סורג שנוצר עם סורג Dammann ליצירת מערכי קרן עקיפה של 1×5 ו-5×5.
איור 3. (א) כאשר G1=0 ו-G2=125, פרופילומטר לייזר (Spiricon) צפה במערך של 1 × 5 (שמאל) ו-5 × 5 (ימין). (ב) חורים עיוורים עובדו על דגימות Ti64 מלוטשות על ידי החלת סורג 1 × 5 (שמאל) ו-5 × 5 (ימין) דמן (G1=0, G2=125).
05 סיכום
לייזרים דופק אולטרה-קצר מייצרים פולסי אור קוהרנטיים עם משכי פולסים הנעים בין פיקו-שניות לפמט-שניות, והם הופכים פופולריים יותר ויותר בעיבוד מיקרו--לייזר מדויק. הם נהנים לא רק מאבלציה חיזוי טובה של לייזר שמדכאת את האזור המושפע מהחום, אלא גם מאינטראקציות לא ליניאריות משופרות עם חומרים, מה שפותח הזדמנויות עיבוד חדשות, במיוחד עם חומרים שקופים. לסיכום, הפיתוח של לייזרים דופק אולטרה קצר קידם למעשה את האופטימיזציה של תהליך האבלציה.
