01Introduzione
Negli ultimi dieci anni sono stati compiuti progressi significativi nella ricerca sui laser pulsati ultraveloci, migliorandone la stabilità e la flessibilità di lavorazione. Sebbene la qualità di lavorazione dei laser pulsati ultraveloci possa soddisfare le esigenze di molte applicazioni, vi è ancora una mancanza di efficienza produttiva per gli scenari di applicazioni industriali quando si utilizzano laser pulsati ultraveloci (USP) per la lavorazione. Esistono due metodi per migliorare l'elaborazione USP: 1) aumentando l'energia dell'impulso; 2) aumentando la frequenza di ripetizione degli impulsi. L’efficienza produttiva della lavorazione dei materiali utilizzando i laser USP dovrebbe competere con altre tecnologie, quindi i ricercatori hanno compiuto sforzi enormi nella gestione dell’energia laser oltre il laser stesso. Vari sistemi meccanici e ottici vengono utilizzati per controllare la posizione, la direzione e la forma del raggio laser sul pezzo.
02Specchio vibrante e scanner poligonale
Il posizionamento rapido più robusto e conveniente del raggio laser si ottiene utilizzando uno scanner galvanometrico, che inclina due specchi quasi senza inerzia in direzione verticale. I moderni scanner galvanometrici con una lente f-theta con lunghezza focale di 160 mm possono spostare il raggio laser a una velocità di 20 m/s all'interno di un campo visivo di 100 mm x 100 mm. A tali velocità, sincronizzare l’impulso laser con il movimento del raggio laser diventa difficile. Gli scanner poligonali sono ampiamente utilizzati per l'imaging e la lettura di codici a barre e rappresentano ancora una novità nel campo della lavorazione dei materiali. Possono spostare il raggio laser sulla superficie del pezzo a velocità di 100–1000 m/s. La sincronizzazione degli impulsi laser USP con la rotazione altamente stabile del poligono è più impegnativa. Combinando gli scanner poligonali con gli scanner galvanometrici ad asse singolo, è stato sviluppato uno scanner bidimensionale veloce (Figura 1). La distribuzione degli impulsi laser continui sull'intera area di lavorazione laser disaccoppia l'accumulo di calore e gli effetti di schermatura del plasma.
03 Modellazione del raggio laser
La maggior parte dei laser emettono raggi con un profilo del fascio gaussiano. L'intensità è alta al centro del fascio e più bassa ai bordi. Questa distribuzione spaziale dell'energia non è vantaggiosa per molte applicazioni, specialmente nella lavorazione di film sottili. Le tecniche di modellatura e omogeneizzazione del raggio laser possono ottimizzare la forma per un'ampia gamma di applicazioni di lavorazione laser dei materiali. Gli elementi ottici diffrattivi (DOE) possono convertire un fascio gaussiano circolare in un fascio top-rettangolare, dove gran parte del diametro del fascio mantiene l'intensità, fornendo così una forma del raggio laser adatta al processo, come mostrato nella Figura 2.
Un'opzione flessibile per modellare i raggi laser consiste nell'utilizzare modulatori spaziali di luce (SLM) basati su dispositivi pixelati con cristalli liquidi commutati elettricamente. Gli ologrammi-generati dal computer vengono trasmessi all'elettronica di controllo SLM per impostare le maschere di fase o di ampiezza per il raggio laser. L'SLM, insieme ai laser a femtosecondi, genera raggi diffratti multipli per l'elaborazione parallela, aumentando significativamente di oltre dieci volte la produttività della microstrutturazione ad alta-precisione di leghe di silicio e titanio.
Figura 2. Distribuzione dell'intensità di un raggio laser a sommità quadrata formato utilizzando un FBS e una lente sferica (a destra), misurata utilizzando una telecamera CCD. Il profilo del raggio di ingresso è mostrato a sinistra. La potenza di uscita media del laser è di 12 W.
04 Sistema-multiraggio
L'utilizzo di laser USP ad alta potenza con un'elevata frequenza di ripetizione degli impulsi nell'intervallo MHz può portare a problemi nella zona di impatto termico, come il surriscaldamento e la formazione di fusione, che possono ridurre la qualità dell'ablazione. Il raggiungimento di un'elevata qualità di ablazione richiede un'attenta corrispondenza di tutti i parametri di processo, ma l'elevata velocità di deflessione del raggio dei galvanometri avanzati o degli scanner poligonali non sempre fornisce soluzioni di micro-lavorazione precise. In questo caso, più raggi laser offrono una soluzione versatile di ablazione ad alta potenza, come mostrato nella Figura 3, che illustra i risultati dell'elaborazione parallela utilizzando un reticolo creato con un reticolo di Dammann per formare matrici di raggi di diffrazione 1×5 e 5×5.
Figura 3. (a) Quando G1=0 e G2=125, un profilometro laser (Spiricon) ha osservato un array 1 × 5 (a sinistra) e 5 × 5 (a destra). (b) I fori ciechi sono stati elaborati su campioni di Ti64 lucidati applicando un reticolo di Dammann 1 × 5 (a sinistra) e 5 × 5 (a destra) (G1=0, G2=125).
05 Riepilogo
I laser a impulsi ultracorti generano impulsi di luce coerenti con durate di impulso che vanno dai picosecondi ai femtosecondi e stanno diventando sempre più popolari nella micro-lavorazione laser di precisione. Beneficiano non solo di una buona ablazione laser predittiva che sopprime la zona-influenzata dal calore, ma anche di interazioni non lineari migliorate con i materiali, aprendo nuove opportunità di lavorazione, in particolare con materiali trasparenti. In sintesi, lo sviluppo dei laser a impulsi ultracorti ha effettivamente promosso l’ottimizzazione del processo di ablazione.
