01مقدمة
في العقد الماضي، تم إحراز تقدم كبير في أبحاث الليزر النبضي فائق السرعة، مما أدى إلى تحسين استقرار المعالجة ومرونتها. على الرغم من أن جودة معالجة الليزر النبضي فائق السرعة يمكن أن تلبي احتياجات العديد من التطبيقات، إلا أنه لا يزال هناك نقص في كفاءة الإنتاج لسيناريوهات التطبيقات الصناعية عند استخدام الليزر النبضي فائق السرعة (USP) للمعالجة. هناك طريقتان لتعزيز معالجة USP: 1) عن طريق زيادة طاقة النبض؛ 2) عن طريق زيادة معدل تكرار النبض. يجب أن تتنافس كفاءة إنتاج معالجة المواد باستخدام ليزر USP مع التقنيات الأخرى، لذلك بذل الباحثون جهدًا هائلاً في إدارة طاقة الليزر بما يتجاوز الليزر نفسه. يتم استخدام أنظمة ميكانيكية وبصرية مختلفة للتحكم في موضع واتجاه وشكل شعاع الليزر على قطعة العمل.
02مرآة اهتزازية وماسح ضوئي للمضلعات
يتم تحقيق الموضع السريع الأكثر قوة وملاءمة لشعاع الليزر باستخدام ماسح الجلفانومتر، الذي يميل مرآتين بدون أي قصور ذاتي تقريبًا في الاتجاه الرأسي. يمكن للماسحات الضوئية الحديثة ذات الجلفانومتر المزودة بعدسة ثيتا f- ذات طول بؤري 160 مم تحريك شعاع الليزر بسرعة 20 م/ث في مجال رؤية 100 مم × 100 مم. في مثل هذه السرعات، تصبح مزامنة نبض الليزر مع حركة شعاع الليزر أمرًا صعبًا. تُستخدم الماسحات الضوئية المضلعة على نطاق واسع للتصوير وقراءة الباركود، ولا تزال جديدة في مجال معالجة المواد. يمكنهم تحريك شعاع الليزر عبر سطح قطعة العمل بسرعات تتراوح بين 100-1000 م/ث. يعد تزامن نبضات الليزر USP مع الدوران المستقر للغاية للمضلع أكثر صعوبة. من خلال الجمع بين ماسحات المضلعات وماسحات الجلفانومتر ذات المحور الواحد-، تم تطوير ماسح ضوئي سريع ثنائي الأبعاد (الشكل 1). يؤدي توزيع نبضات الليزر المستمرة عبر منطقة معالجة الليزر بأكملها إلى فصل تراكم الحرارة وتأثيرات حماية البلازما.
03 تشكيل شعاع الليزر
تصدر معظم أجهزة الليزر حزمًا ذات شكل شعاع غاوسي. تكون الشدة عالية في وسط الشعاع وأقل عند الحواف. هذا التوزيع المكاني للطاقة ليس مفيدًا للعديد من التطبيقات، خاصة في معالجة الأغشية الرقيقة. يمكن لتقنيات تشكيل شعاع الليزر وتجانسه تحسين الشكل لمجموعة واسعة من تطبيقات معالجة المواد بالليزر. يمكن للعناصر الضوئية الحيودية (DOEs) تحويل شعاع غاوسي دائري إلى شعاع قبعة علوي مستطيل -، حيث يحتفظ جزء كبير من قطر الشعاع بالكثافة، وبالتالي توفير شكل شعاع ليزر مناسب للعملية، كما هو موضح في الشكل 2.
يتمثل أحد الخيارات المرنة لتشكيل أشعة الليزر في استخدام مُعدِّلات الضوء المكانية (SLM) استنادًا إلى أجهزة منقطات ذات بلورات سائلة مبدلة كهربائيًا. يتم إرسال الصور المجسمة التي تم إنشاؤها بواسطة الكمبيوتر - إلى إلكترونيات التحكم في SLM لتعيين أقنعة الطور أو السعة لشعاع الليزر. يقوم SLM، بالاشتراك مع ليزر الفيمتو ثانية، بتوليد حزم متعددة منحرفة للمعالجة المتوازية، مما يزيد بشكل كبير من إنتاجية البنية المجهرية عالية الدقة - لسبائك السيليكون والتيتانيوم بأكثر من عشر مرات.
الشكل 2. توزيع كثافة شعاع الليزر العلوي المربع المتكون باستخدام FBS وعدسة كروية (يمين)، مقاسًا باستخدام كاميرا CCD. يظهر ملف تعريف شعاع الإدخال على اليسار. متوسط طاقة خرج الليزر هو 12 وات.
04 نظام الشعاع المتعدد-
قد يؤدي استخدام ليزر USP عالي الطاقة مع معدل تكرار نبضي مرتفع في نطاق ميغاهرتز إلى مشاكل في منطقة التأثير الحراري، مثل ارتفاع درجة الحرارة وتكوين الذوبان، مما قد يقلل من جودة الاجتثاث. يتطلب تحقيق جودة استئصال عالية مطابقة دقيقة لجميع معلمات العملية، ولكن سرعة انحراف الشعاع العالية لمقاييس الجلفانومتر المتقدمة أو الماسحات الضوئية للمضلعات لا توفر دائمًا حلول دقيقة للتصنيع الدقيق-. في هذه الحالة، توفر أشعة الليزر المتعددة حلاً متعدد الاستخدامات للاستئصال عالي الطاقة، كما هو موضح في الشكل 3، والذي يوضح نتائج المعالجة المتوازية باستخدام شبكة تم إنشاؤها باستخدام شبكة Dammann لتشكيل مصفوفات شعاع حيود 1×5 و5×5.
الشكل 3. (أ) عندما لاحظ G1=0 وG2=125، لاحظ مقياس ملف تعريف الليزر (Spiricon) صفيف 1 × 5 (يسار) ومصفوفة 5 × 5 (يمين). ( ب ) تمت معالجة الثقوب العمياء على عينات Ti64 المصقولة من خلال تطبيق 1 × 5 (يسار) و 5 × 5 (يمين) صريف دامان (G 1=0، G 2=125).
05 ملخص
تولد أشعة الليزر النبضية فائقة القصر نبضات ضوئية متماسكة ذات فترات نبضية تتراوح من بيكو ثانية إلى فيمتوثانية، وأصبحت شائعة بشكل متزايد في الآلات الدقيقة بالليزر -. فهي لا تستفيد فقط من الاستئصال التنبئي الجيد بالليزر الذي يثبط المنطقة{2}}المتأثرة بالحرارة، ولكن أيضًا من التفاعلات غير الخطية المحسنة مع المواد، مما يفتح فرص معالجة جديدة، خاصة مع المواد الشفافة. وباختصار، فإن تطوير أشعة الليزر النبضية فائقة القصر قد عزز بشكل فعال تحسين عملية الاجتثاث.
