01 Introducció
En l'última dècada, s'han fet avenços significatius en la investigació de làsers polsats ultra ràpids, millorant-ne l'estabilitat i flexibilitat de processament. Tot i que la qualitat de processament dels làsers polsats ultraràpids pot satisfer les necessitats de moltes aplicacions, encara hi ha una manca d'eficiència de producció per als escenaris d'aplicació industrial quan s'utilitzen làsers polsats ultra ràpids (USP) per al processament. Hi ha dos mètodes per millorar el processament USP: 1) augmentant l'energia del pols; 2) augmentant la freqüència de repetició del pols. L'eficiència de producció del processament de materials amb làsers USP hauria de competir amb altres tecnologies, de manera que els investigadors han fet un gran esforç en la gestió de l'energia làser més enllà del propi làser. S'utilitzen diversos sistemes mecànics i òptics per controlar la posició, la direcció i la forma del raig làser a la peça de treball.
02 Mirall vibrant i escàner de polígons
El posicionament ràpid més robust i còmode del raig làser s'aconsegueix mitjançant un escàner galvanòmetre, que inclina dos miralls gairebé sense inèrcia en la direcció vertical. Els escàners galvanòmetres moderns amb una lent f-theta de 160 mm de distància focal poden moure el raig làser a una velocitat de 20 m/s dins d'un camp de visió de 100 mm x 100 mm. A aquestes velocitats, sincronitzar el pols làser amb el moviment del raig làser esdevé un repte. Els escàners de polígons s'utilitzen àmpliament per a la lectura d'imatges i codis de barres, i encara són nous en el camp del processament de materials. Poden moure el raig làser a través de la superfície de la peça a velocitats de 100-1000 m/s. La sincronització dels polsos làser USP amb la rotació altament estable del polígon és més difícil. En combinar escàners de polígons amb escàners galvanòmetres d'un sol-eix, es va desenvolupar un escàner ràpid de dues-dimensionalitats (figura 1). La distribució de polsos làser continus a tota l'àrea de processament làser desacobla l'acumulació de calor i els efectes de blindatge de plasma.
03 Formació del raig làser
La majoria dels làsers emeten raigs amb un perfil de feix gaussià. La intensitat és alta al centre del feix i més baixa a les vores. Aquesta distribució espacial d'energia no és beneficiosa per a moltes aplicacions, especialment en el processament de pel·lícules primes. Les tècniques de conformació i homogeneïtzació del raig làser poden optimitzar la forma per a una àmplia gamma d'aplicacions de processament de materials làser. Els elements òptics difractius (DOE) poden convertir un feix gaussià circular en un feix de barret rectangular, on una gran part del diàmetre del feix conserva la intensitat, proporcionant així una forma de feix làser adequada per al procés, tal com es mostra a la figura 2.
Una opció flexible per donar forma als raigs làser és utilitzar moduladors de llum espacial (SLM) basats en dispositius pixelats amb cristalls líquids commutats elèctricament. Els hologrames-generats per ordinador es transmeten a l'electrònica de control SLM per establir màscares de fase o amplitud per al raig làser. L'SLM, juntament amb els làsers de femtosegons, genera múltiples feixos de difracció per al processament paral·lel, augmentant significativament el rendiment de la microestructuració d'alta-precisió d'aliatges de silici i titani en més de deu vegades.
Figura 2. La distribució d'intensitat d'un feix làser quadrat superior format mitjançant un FBS i una lent esfèrica (dreta), mesurada amb una càmera CCD. El perfil del feix d'entrada es mostra a l'esquerra. La potència mitjana de sortida del làser és de 12 W.
04 Sistema multi-feix
L'ús de làsers USP d'alta potència amb una freqüència de repetició de pols elevada en el rang de MHz pot provocar problemes de zona d'impacte tèrmic, com ara el sobreescalfament i la formació de fosos, que poden reduir la qualitat de l'ablació. Aconseguir una alta qualitat d'ablació requereix una adequació acurada de tots els paràmetres del procés, però l'alta velocitat de deflexió del feix dels galvanòmetres avançats o escàners de polígons no sempre ofereix solucions de micro-mecanitzat precises. En aquest cas, múltiples feixos làser ofereixen una solució d'ablació d'alta potència versàtil, tal com es mostra a la figura 3, que il·lustra els resultats del processament paral·lel mitjançant una xarxa creada amb una xarxa Dammann per formar matrius de feix de difracció 1 × 5 i 5 × 5.
Figura 3. (a) Quan G1=0 i G2=125, un perfilòmetre làser (Spiricon) va observar una matriu 1 × 5 (esquerra) i 5 × 5 (dreta). (b) Els forats cecs es van processar en mostres de Ti64 polides aplicant una reixa Dammann 1 × 5 (esquerra) i 5 × 5 (dreta) (G1=0, G2=125).
05 Resum
Els làsers de pols ultracurt generen polsos de llum coherents amb durades de pols que van des de picoseguons fins a femtosegons, i són cada cop més populars en el micro-mecanitzat làser de precisió. Es beneficien no només d'una bona ablació làser predictiva que suprimeix la-zona afectada per la calor, sinó també de les interaccions no lineals millorades amb els materials, la qual cosa obre noves oportunitats de processament, especialment amb materials transparents. En resum, el desenvolupament de làsers de pols ultracurt ha promogut eficaçment l'optimització del procés d'ablació.
