01Inleiding
In het afgelopen decennium is er aanzienlijke vooruitgang geboekt in het onderzoek naar ultrasnelle gepulseerde lasers, waardoor de verwerkingsstabiliteit en flexibiliteit ervan is verbeterd. Hoewel de verwerkingskwaliteit van ultrasnelle gepulseerde lasers aan de behoeften van veel toepassingen kan voldoen, is er nog steeds een gebrek aan productie-efficiëntie voor industriële toepassingsscenario's bij het gebruik van ultrasnelle gepulseerde (USP) lasers voor verwerking. Er zijn twee methoden om de USP-verwerking te verbeteren: 1) door de pulsenergie te verhogen; 2) door de pulsherhalingssnelheid te verhogen. De productie-efficiëntie van materiaalverwerking met behulp van USP-lasers zou moeten concurreren met andere technologieën, daarom hebben onderzoekers enorme inspanningen geleverd in het beheer van laserenergie buiten de laser zelf. Er worden verschillende mechanische en optische systemen gebruikt om de positie, richting en vorm van de laserstraal op het werkstuk te regelen.
02Trillende spiegel en polygoonscanner
De meest robuuste en handige snelle positionering van de laserstraal wordt bereikt met behulp van een galvanometerscanner, die twee spiegels vrijwel zonder traagheid in verticale richting kantelt. Moderne galvanometerscanners met een f-thetalens met een brandpuntsafstand van 160 mm kunnen de laserstraal met een snelheid van 20 m/s verplaatsen binnen een gezichtsveld van 100 mm x 100 mm. Bij dergelijke snelheden wordt het synchroniseren van de laserpuls met de beweging van de laserstraal een uitdaging. Polygoonscanners worden veel gebruikt voor beeldvorming en het lezen van streepjescodes, en zijn nog nieuw op het gebied van materiaalverwerking. Ze kunnen de laserstraal met snelheden van 100–1000 m/s over het werkstukoppervlak bewegen. De synchronisatie van USP-laserpulsen met de zeer stabiele rotatie van de polygoon is een grotere uitdaging. Door polygoonscanners te combineren met galvanometerscanners met één-as, werd een snelle twee-dimensionale scanner ontwikkeld (Afbeelding 1). De verdeling van continue laserpulsen over het gehele laserverwerkingsgebied ontkoppelt warmteaccumulatie en plasma-afschermingseffecten.
03 Laserstraalvorming
De meeste lasers zenden stralen uit met een Gaussiaans straalprofiel. De intensiteit is hoog in het midden van de straal en lager aan de randen. Deze ruimtelijke energieverdeling is voor veel toepassingen niet gunstig, vooral niet bij dunnefilmverwerking. Laserstraalvormings- en homogenisatietechnieken kunnen de vorm optimaliseren voor een breed scala aan lasermateriaalverwerkingstoepassingen. Diffractieve optische elementen (DOE's) kunnen een cirkelvormige Gauss-straal omzetten in een rechthoekige topstraal, waarbij een groot deel van de diameter van de straal de intensiteit behoudt, waardoor een laserstraalvorm ontstaat die geschikt is voor het proces, zoals weergegeven in figuur 2.
Een flexibele optie voor het vormgeven van laserstralen is het gebruik van ruimtelijke lichtmodulatoren (SLM) op basis van gepixelde apparaten met elektrisch geschakelde vloeibare kristallen. Computer-gegenereerde hologrammen worden naar de SLM-besturingselektronica verzonden om fase- of amplitudemaskers voor de laserstraal in te stellen. De SLM genereert, in combinatie met femtosecondelasers, meerdere afgebogen bundels voor parallelle verwerking, waardoor de doorvoer van uiterst nauwkeurige microstructurering van silicium- en titaniumlegeringen ruim tien keer wordt vergroot.
Figuur 2. De intensiteitsverdeling van een laserstraal met vierkante bovenkant, gevormd met behulp van een FBS en een sferische lens (rechts), gemeten met een CCD-camera. Het ingangsbundelprofiel wordt links weergegeven. Het gemiddelde laseruitgangsvermogen is 12 W.
04 Multi-systeem
Het gebruik van krachtige USP-lasers met een hoge pulsherhalingssnelheid in het MHz-bereik kan leiden tot problemen met de thermische impactzone, zoals oververhitting en smeltvorming, waardoor de ablatiekwaliteit kan afnemen. Het bereiken van een hoge ablatiekwaliteit vereist een zorgvuldige afstemming van alle procesparameters, maar de hoge straalafbuigsnelheid van geavanceerde galvanometers of polygoonscanners biedt niet altijd nauwkeurige micro-bewerkingsoplossingen. In dit geval bieden meerdere laserstralen een veelzijdige ablatieoplossing met hoog vermogen, zoals weergegeven in figuur 3, die de resultaten illustreert van parallelle verwerking met behulp van een rooster gemaakt met een Dammann-rooster om diffractie 1×5 en 5×5 straalarrays te vormen.
Figuur 3. (a) Wanneer G1=0 en G2=125 observeerde een laserprofilometer (Spiricon) een 1 × 5 (links) en een 5 × 5 (rechts) array. (b) Blinde gaten werden verwerkt op gepolijste Ti64-monsters door een 1 x 5 (links) en een 5 x 5 (rechts) Dammann-rooster toe te passen (G1=0, G2=125).
05 Samenvatting
Lasers met ultrakorte puls genereren coherente lichtpulsen met pulsduur variërend van picoseconden tot femtoseconden, en worden steeds populairder bij precisielaser-micro-bewerkingen. Ze profiteren niet alleen van goede voorspellende laserablatie die de door hitte{2}}beïnvloede zone onderdrukt, maar ook van verbeterde niet-lineaire interacties met materialen, waardoor nieuwe verwerkingsmogelijkheden ontstaan, vooral met transparante materialen. Samenvattend heeft de ontwikkeling van ultrakorte pulslasers de optimalisatie van het ablatieproces effectief bevorderd.
