ระบบประมวลผลเลเซอร์พัลซ์แบบสั้นเกินขีด

01บทนำ

ในทศวรรษที่ผ่านมา มีความก้าวหน้าที่สำคัญในการวิจัยเลเซอร์พัลซิ่งที่เร็วเป็นพิเศษ ซึ่งปรับปรุงความเสถียรและความยืดหยุ่นในการประมวลผล แม้ว่าคุณภาพการประมวลผลของเลเซอร์พัลซิ่งที่เร็วเป็นพิเศษสามารถตอบสนองความต้องการของการใช้งานหลายประเภท แต่ก็ยังขาดประสิทธิภาพการผลิตสำหรับสถานการณ์การใช้งานทางอุตสาหกรรม เมื่อใช้เลเซอร์พัลซิ่งที่เร็วมาก (USP) ในการประมวลผล มีสองวิธีในการปรับปรุงการประมวลผล USP: 1) โดยการเพิ่มพลังงานพัลส์; 2) โดยการเพิ่มอัตราการเกิดซ้ำของพัลส์ ประสิทธิภาพการผลิตของการแปรรูปวัสดุโดยใช้เลเซอร์ USP ควรแข่งขันกับเทคโนโลยีอื่นๆ ดังนั้น นักวิจัยจึงใช้ความพยายามอย่างมากในการจัดการพลังงานเลเซอร์นอกเหนือจากตัวเลเซอร์เอง มีการใช้ระบบกลไกและระบบออพติคัลต่างๆ เพื่อควบคุมตำแหน่ง ทิศทาง และรูปร่างของลำแสงเลเซอร์บนชิ้นงาน

02กระจกสั่นและเครื่องสแกนรูปหลายเหลี่ยม

การวางตำแหน่งลำแสงเลเซอร์ที่รวดเร็วและทนทานที่สุดทำได้โดยใช้เครื่องสแกนกัลวาโนมิเตอร์ ซึ่งจะเอียงกระจกสองบานโดยแทบไม่มีความเฉื่อยในทิศทางแนวตั้ง เครื่องสแกนกัลวาโนมิเตอร์สมัยใหม่ที่มีเลนส์ f-ทีต้าที่มีความยาวโฟกัส 160 มม. สามารถเคลื่อนลำแสงเลเซอร์ด้วยความเร็ว 20 ม./วินาที ภายในขอบเขตการมองเห็น 100 มม. x 100 มม. ด้วยความเร็วดังกล่าว การซิงโครไนซ์พัลส์เลเซอร์กับการเคลื่อนที่ของลำแสงเลเซอร์จึงกลายเป็นเรื่องที่ท้าทาย เครื่องสแกนรูปหลายเหลี่ยมถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการสร้างภาพและการอ่านบาร์โค้ด และยังถือเป็นเครื่องใหม่ในด้านการประมวลผลวัสดุ พวกเขาสามารถเคลื่อนลำแสงเลเซอร์ไปบนพื้นผิวชิ้นงานด้วยความเร็ว 100–1000 ม./วินาที การซิงโครไนซ์พัลส์เลเซอร์ USP กับการหมุนของรูปหลายเหลี่ยมที่มีความเสถียรสูงนั้นเป็นเรื่องที่ท้าทายมากขึ้น ด้วยการรวมเครื่องสแกนรูปหลายเหลี่ยมเข้ากับเครื่องสแกนกัลวาโนมิเตอร์แกนเดียว- เครื่องสแกนสองมิติที่รวดเร็วจึงได้รับการพัฒนา (รูปที่ 1) การกระจายของพัลส์เลเซอร์ต่อเนื่องทั่วทั้งพื้นที่การประมวลผลเลเซอร์จะแยกการสะสมความร้อนและเอฟเฟกต์การป้องกันพลาสมา

03 การสร้างลำแสงเลเซอร์

เลเซอร์ส่วนใหญ่จะปล่อยลำแสงที่มีรูปแบบลำแสงแบบเกาส์เซียน ความเข้มจะสูงที่กึ่งกลางลำแสงและลดลงที่ขอบ การกระจายพลังงานเชิงพื้นที่นี้ไม่เป็นประโยชน์สำหรับการใช้งานหลายอย่าง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการประมวลผลฟิล์มบาง เทคนิคการสร้างลำแสงเลเซอร์และการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันสามารถปรับรูปร่างให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานการประมวลผลวัสดุเลเซอร์ที่หลากหลาย องค์ประกอบทางแสงแบบหักเห (DOE) สามารถเปลี่ยนลำแสงเกาส์เซียนทรงกลมเป็นลำแสงหมวกทรงสี่เหลี่ยมด้านบน- โดยที่เส้นผ่านศูนย์กลางส่วนใหญ่ของลำแสงยังคงความเข้มอยู่ ดังนั้นจึงได้รูปทรงลำแสงเลเซอร์ที่เหมาะกับกระบวนการ ดังแสดงในรูปที่ 2

ตัวเลือกที่ยืดหยุ่นสำหรับการสร้างลำแสงเลเซอร์คือการใช้ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ (SLM) โดยอิงจากอุปกรณ์แบบพิกเซลที่มีคริสตัลเหลวที่เปลี่ยนระบบไฟฟ้า โฮโลแกรมที่สร้างโดยคอมพิวเตอร์-จะถูกส่งไปยังอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุม SLM เพื่อตั้งค่าเฟสหรือมาสก์แอมพลิจูดสำหรับลำแสงเลเซอร์ SLM ร่วมกับเลเซอร์ femtosecond จะสร้างลำแสงเลี้ยวเบนหลายลำสำหรับการประมวลผลแบบขนาน ซึ่งช่วยเพิ่มปริมาณงานของโครงสร้างจุลภาคที่มีความแม่นยำสูง-ของโลหะผสมซิลิคอนและไทเทเนียมได้มากกว่าสิบเท่า

รูปที่ 2 การกระจายความเข้มของลำแสงเลเซอร์ด้านบนสี่เหลี่ยมที่เกิดขึ้นโดยใช้ FBS และเลนส์ทรงกลม (ขวา) วัดโดยใช้กล้อง CCD โปรไฟล์ลำแสงอินพุตจะแสดงทางด้านซ้าย กำลังขับเลเซอร์โดยเฉลี่ยคือ 12 W

04 ระบบลำแสงหลาย-

การใช้เลเซอร์ USP กำลังสูงที่มีอัตราการเกิดซ้ำของพัลส์สูงในช่วง MHz อาจนำไปสู่ปัญหาโซนผลกระทบจากความร้อน เช่น ความร้อนสูงเกินไปและการก่อตัวของการหลอมละลาย ซึ่งอาจลดคุณภาพการระเหยได้ การบรรลุคุณภาพการระเหยที่สูงจำเป็นต้องจับคู่พารามิเตอร์กระบวนการทั้งหมดอย่างระมัดระวัง แต่ความเร็วการโก่งตัวของลำแสงสูงของกัลวาโนมิเตอร์ขั้นสูงหรือเครื่องสแกนรูปหลายเหลี่ยมไม่ได้ให้โซลูชันการตัดเฉือนขนาดเล็ก-ที่แม่นยำเสมอไป ในกรณีนี้ ลำแสงเลเซอร์หลายตัวนำเสนอโซลูชันการทำลายล้างพลังงานสูงอเนกประสงค์ ดังแสดงในรูปที่ 3 ซึ่งแสดงให้เห็นผลลัพธ์ของการประมวลผลแบบขนานโดยใช้ตะแกรงที่สร้างด้วยตะแกรง Dammann เพื่อสร้างอาร์เรย์ลำแสงการเลี้ยวเบน 1×5 และ 5×5

รูปที่ 3 (a) เมื่อ G 1=0 และ G 2=125 เลเซอร์โปรไฟล์ (Spiricon) สังเกตอาร์เรย์ 1 × 5 (ซ้าย) และอาร์เรย์ 5 × 5 (ขวา) (b) รูบอดได้รับการประมวลผลบนตัวอย่าง Ti64 ขัดเงาโดยใช้ตะแกรง Dammann 1 × 5 (ซ้าย) และ 5 × 5 (ขวา) (G1=0, G2=125)

05 สรุป

เลเซอร์พัลส์แบบสั้นพิเศษจะสร้างพัลส์แสงที่สอดคล้องกันโดยมีระยะเวลาพัลส์ตั้งแต่พิโควินาทีถึงเฟมโตวินาที และกำลังได้รับความนิยมมากขึ้นเรื่อยๆ ในการตัดเฉือนไมโคร-ด้วยเลเซอร์ที่มีความแม่นยำ พวกเขาไม่เพียงแต่ได้รับประโยชน์จากการระเหยด้วยเลเซอร์เชิงทำนายที่ดีซึ่งระงับโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน- แต่ยังจากปฏิกิริยาโต้ตอบแบบไม่เชิงเส้นที่เพิ่มขึ้นกับวัสดุ ทำให้เกิดโอกาสในการแปรรูปใหม่ๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับวัสดุโปร่งใส โดยสรุป การพัฒนาเลเซอร์พัลส์แบบสั้นเกินขีดได้ส่งเสริมการเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการระเหยอย่างมีประสิทธิภาพ