سیستم پردازش لیزر پالسی اولترا کوتاه

01 مقدمه

در دهه گذشته، پیشرفت قابل توجهی در تحقیقات لیزرهای پالسی فوق سریع، بهبود پایداری پردازش و انعطاف پذیری آنها صورت گرفته است. اگرچه کیفیت پردازش لیزرهای پالسی فوق سریع می‌تواند نیازهای بسیاری از کاربردها را برآورده کند، اما هنوز بازده تولید برای سناریوهای کاربرد صنعتی در هنگام استفاده از لیزرهای پالسی فوق سریع (USP) برای پردازش وجود ندارد. دو روش برای تقویت پردازش USP وجود دارد: 1) با افزایش انرژی پالس. 2) با افزایش سرعت تکرار نبض. راندمان تولید پردازش مواد با استفاده از لیزرهای USP باید با فناوری‌های دیگر رقابت کند، بنابراین محققان تلاش زیادی را برای مدیریت انرژی لیزر فراتر از خود لیزر انجام داده‌اند. سیستم های مکانیکی و نوری مختلفی برای کنترل موقعیت، جهت و شکل پرتو لیزر بر روی قطعه کار استفاده می شود.

02 آینه ارتعاشی و اسکنر چند ضلعی

قوی ترین و راحت ترین موقعیت سریع پرتو لیزر با استفاده از یک اسکنر گالوانومتر به دست می آید که دو آینه را تقریباً بدون اینرسی در جهت عمودی کج می کند. اسکنرهای گالوانومتر مدرن با عدسی f-تتا با فاصله کانونی 160 میلی متر می توانند پرتو لیزر را با سرعت 20 متر بر ثانیه در میدان دید 100 میلی متر در 100 میلی متر حرکت دهند. در چنین سرعت هایی، همگام سازی پالس لیزر با حرکت پرتو لیزر چالش برانگیز می شود. اسکنرهای چند ضلعی به طور گسترده برای تصویربرداری و خواندن بارکد استفاده می شوند و هنوز در زمینه پردازش مواد جدید هستند. آنها می توانند پرتو لیزر را در سطح قطعه کار با سرعت 100-1000 متر بر ثانیه حرکت دهند. همگام سازی پالس های لیزر USP با چرخش بسیار پایدار چند ضلعی چالش برانگیزتر است. با ترکیب اسکنرهای چند ضلعی با اسکنرهای گالوانومتر تک محوری، یک اسکنر سریع دو بعدی- ساخته شد (شکل 1). توزیع پالس های لیزری پیوسته در کل منطقه پردازش لیزر، انباشت گرما و اثرات محافظ پلاسما را جدا می کند.

03 شکل دهی پرتو لیزر

بیشتر لیزرها پرتوهایی با نیمرخ پرتو گاوسی ساطع می کنند. شدت در مرکز پرتو زیاد و در لبه ها کمتر است. این توزیع انرژی فضایی برای بسیاری از کاربردها، به ویژه در پردازش لایه نازک، سودمند نیست. روش های شکل دهی و همگن سازی پرتو لیزر می تواند شکل را برای طیف وسیعی از کاربردهای پردازش مواد لیزری بهینه کند. عناصر نوری پراش (DOEs) می‌توانند یک پرتو دایره‌ای گاوسی را به یک پرتو کلاهی مستطیلی تبدیل کنند، جایی که بخش بزرگی از قطر پرتو شدت خود را حفظ می‌کند، بنابراین شکل پرتو لیزری مناسب برای فرآیند، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، ارائه می‌کند.

یک گزینه انعطاف‌پذیر برای شکل‌دهی پرتوهای لیزر، استفاده از تعدیل‌کننده‌های نور فضایی (SLM) مبتنی بر دستگاه‌های پیکسلی با کریستال‌های مایع با سوئیچ الکتریکی است. هولوگرام‌های{1}}تولید شده توسط رایانه برای تنظیم ماسک‌های فاز یا دامنه برای پرتو لیزر به الکترونیک کنترل SLM منتقل می‌شوند. SLM، در ارتباط با لیزرهای فمتوثانیه، پرتوهای پراکنده متعددی را برای پردازش موازی تولید می‌کند که به طور قابل‌توجهی توان ریزساختار با دقت بالا آلیاژهای سیلیکون و تیتانیوم را بیش از ده برابر افزایش می‌دهد.

شکل 2. توزیع شدت پرتو لیزر مربعی شکل که با استفاده از یک FBS و یک لنز کروی شکل (راست)، با استفاده از یک دوربین CCD اندازه گیری شده است. نمایه پرتو ورودی در سمت چپ نشان داده شده است. متوسط ​​توان خروجی لیزر 12 وات است.

04 سیستم چند{1}}پرتو

استفاده از لیزرهای پرقدرت USP با نرخ تکرار پالس بالا در محدوده مگاهرتز ممکن است منجر به مشکلات ناحیه ضربه حرارتی، مانند گرمای بیش از حد و تشکیل مذاب شود که می تواند کیفیت فرسایش را کاهش دهد. دستیابی به کیفیت فرسایش بالا مستلزم تطبیق دقیق همه پارامترهای فرآیند است، اما سرعت انحراف پرتو بالا در گالوانومترهای پیشرفته یا اسکنرهای چند ضلعی همیشه راه‌حل‌های دقیق میکرو-ماشینکاری ارائه نمی‌دهد. در این مورد، پرتوهای لیزری چندگانه یک راه حل فرسایشی با توان بالا را ارائه می دهند، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، که نتایج پردازش موازی را با استفاده از یک توری ایجاد شده با یک گریتینگ داممن برای تشکیل آرایه های پرتو پراش 1×5 و 5×5 نشان می دهد.

شکل 3. (الف) هنگامی که G1=0 و G2=125، یک پروفیلومتر لیزری (Spiricon) یک آرایه 1×5 (سمت چپ) و یک آرایه 5×5 (راست) را مشاهده کرد. (ب) سوراخ‌های کور بر روی نمونه‌های Ti64 صیقلی با اعمال یک توری داممان 1 × 5 (چپ) و 5 × 5 (راست) (G1=0، G{14}}) پردازش شدند.

05 خلاصه

لیزرهای پالس اولتراکوتاه پالس های نوری منسجمی با مدت زمان پالس از پیکوثانیه تا فمتوثانیه تولید می کنند و در ماشینکاری میکرو{0}} لیزری دقیق به طور فزاینده ای محبوب می شوند. آنها نه تنها از فرسایش لیزری پیش‌بینی‌کننده خوب که منطقه تحت تأثیر گرما را سرکوب می‌کند، بلکه از برهمکنش‌های غیرخطی تقویت‌شده با مواد سود می‌برند که فرصت‌های پردازش جدیدی را به‌ویژه با مواد شفاف باز می‌کند. به طور خلاصه، توسعه لیزرهای پالس فوق کوتاه به طور موثری بهینه سازی فرآیند فرسایش را ارتقا داده است.