Zpracování laserového rušení z čínského Harsle

Aspekty laseru a materiálů

Jak již bylo zmíněno dříve, interferenční vzorce jsou získány z paprsků, které jsou koherentní. Nekoherentní paprsky by nezasahovaly k produkci tmavých a jasných okrajů (kvůli modulaci intenzity ve výsledné vlně). Abychom si uvědomili vzorec rušení, musí být zachován jak časová, tak prostorová koherence paprsků. Prostorová koherence souvisí s korelací mezi dvěma body na stejné vlnové frontě, zatímco časová koherence souvisí s korelací podobných bodů na různých vlnových frontách. Prostorová koherence paprsků je velmi ovlivněna přítomností řady podélných režimů ve výstupu laseru (Engleman et al. 2005). Obecně dochází ke ztrátě koherence se zvyšujícím se počtem podélných režimů. Obrázek 11.3 představuje vliv řady podélných režimů na viditelnost okrajů v interferometrickém experimentu. Jak je uvedeno na obrázku, viditelnost okrajů klesá s rozdílem cesty pro multimodový provoz laseru. V multimodových operacích je tedy přípustný rozdíl cesty omezený (připraven 1997). Časová koherence souvisí se spektrální šířkou pásma zdroje. Užší pásky mají za následek delší dobu koherence. Doba koherence (? T) je vyjádřena jako vzájemná šířka linie. Délka koherence (? X) je pak dána produktem rychlosti vln (C) a doby koherence (? T). Délka koherence je opět ovlivněna počtem operačních režimů. Například typická délka koherence multimode HE -ne laseru je v rozmezí 20 cm, zatímco typická délka koherence v jednom režimu HE - NN laseru je v rozmezí 100 000 cm (Ready 1997).

Typ laserového zdroje určuje vzorec rušení produkovaného na povrchu materiálu. Nejdůležitějšími laserovými parametry jsou laserová vlnová délka a

Obr. 11.3 Variace viditelnosti okrajů s rozdílem cesty pro laser pracující s N podélnými režimy v AN

interferometrickáexperiment. (Přetištěno z Ready 1997. Se svolením. Copyright Elsevier.)

Obr. 11.4 Variace teoretického okraje s úhlem mezi interferujícími paprsky pro některé běžné vlnové délky použitých laserů

při zpracování materiálů. (Přetištěno od Engleman et al. 2005. Se svolením. Copyright The Minerals, Metals and Materials Society.)

Úhel mezi interferujícími paprsky. Tyto parametry určují mezery okrajů podle ekv. (11.2). Obrázek 11.4 představuje teoretickou variantu okrajových mezerů s úhlem rušení pro některé běžné vlnové délky používané při zpracování laserových materiálů. Obrázek ukazuje, že pro danou vlnovou délku laseru se produkuje kratší okrajová mezera s paprsky zasahujícími do velkého úhlu. Obrázek také ukazuje, že kratší vlnové délky (266, 355, 532 a 1 064 nm) vytvářejí okrajové mezery, což je úměrně menší než vzestupné lasery delší vlnové délky (10,6 m). Fyzikální dolní hranice okraje mezery podle rovnice. (11.2) je polovina vlnové délky laseru. Fringe mezery výrazně ovlivňuje prostorové rozlišení rysů na povrchu materiálu kombinací účinků, jako jsou fyzikální, chemické a metalurgické účinky (Engleman et al. 2005). Kromě vlnové délky a úhlu mezi interferujícími paprsky je dalším důležitým laserovým parametrem laserová fluence (hustota energie). Laserová fluence je stanovena laserovou výkonem, ozářenou povrchovou plochou a dobou ozáření. Laserová plynulost spolu s termofyzikálními vlastnostmi materiálů určuje rozdělení teploty v materiálech. Distribuce teploty v materiálech během zpracování povrchu laseru se obecně získává roztokem Fourierovy rovnice přenosu tepla.

Kde t = t (x, z, t) je teplota v poloze (x, z) v čase t; R, K a CP jsou hustota, tepelná vodivost a specifické teplo materiálu;jsou absorbované teplo, teplo tavení a teploodpařování. Množství tepla absorbovaného materiálem závisí na absorpci materiálu, který je určen různými faktory souvisejícími s materiálem a povrchem, jako je drsnost povrchu, kontaminace povrchu, úhel náklonu atd. Roztok rovnice přenosu tepla dává rozdělení teploty teploty Jako funkce laserových parametrů a vlastností materiálu. Pro zjednodušený případ onedimenzionálního vedení bez konvekce a záření může být roztok rovnice přenosu tepla znovu uspořádán, aby se odhadl energii potřebnou k vytvoření jediného okraje konkrétní velikosti povrchu.

Oblast povrchu modifikovaná tání, ablace atd., Určuje velikost prvku (d), kterou lze vytvořit na povrchu. Pro získání dobře definovaného rozlišitelného periodického vzoru musí být velikost prvku stejná nebo menší než okrajové mezery (D). Jak se vodivost materiálu zvyšuje, teplo se rychle rozptýlí, čímž se zvyšuje oblast modifikovanou vzorem rušení. U materiálu s nízkou vodivostí jsou tepelné účinky způsobené modulovanou intenzitou omezeny na velmi úzké oblasti, což má za následek menší velikosti prvků než okrajové mezery (obr. 11.5). Jak se vodivost materiálu zvyšuje, velikost prvku se blíží okrajovým mezerám. Obrázek 11.5 také ukazuje účinek zvýšení úhlu rušení na okrajové mezery. Na základě analýzy přenosu tepla diskutovanou v části 11.2 tabulka 11.1 poskytuje vypočítané množství energie potřebných k produkci velikosti povrchových prvků rovnajících se interferenčních okrajových rozestupů pro různé materiály ozářené některými běžnými laserovými zdroji. Tabulka tedy poskytuje pokyny pro výběr vhodných parametrů zpracování laseru k dosažení požadovaných geometrických struktur v daném materiálu ozářením laserovým interferenčním vzorem (Engleman et al. 2005).

Aspekty návrhu interferometru

Typické konstrukce interferometru se obecně skládají z dalekohledu rozšiřujícího paprsek (BET), optiky interferometru (rozdělení paprsků a sady zrcadel) a zaostření optiky. BET určuje velikost paprsku přes interferometr, a tak určuje energetickou fluenci na povrchu vzorku. Paprsek laseru je pak rozdělen rozbočovačem paprsku do několika paprsků, které jsou následně superponovány na povrchu vzorku

Obr. 11.5 Účinek úhlu mezi paprsky a vodivostí materiálu na rozteč rušení (d) a velikost prvku (d)

získané na povrchu.(Přetištěno z Englemanet al. 2005. Se svolením. Copyright The Minerals,Společnost kovů a materiálů.)

Snižování sady zrcadel. Kontrast mezi jasnými a tmavými okraji ve vzoru rušení je určen distribucí intenzity ve výsledné vlně. Rozdíl optické cesty mezi interferujícími vlnami je určen rozdílem v délce interferometrů. Rozdíl optické cesty musí být menší než délka koherence, aby se udržela časová koherence. Rozdíl optické cesty také určuje, jak dobře je vzorec definován. Pokud je jedno rameno interferometru kratší než druhé, paprsek z kratšího ramene dorazí na povrch vzorku nejprve, čímž zahájí povrchové úpravy na povrchu vzorku. Pro takový případ se doba interakce mezi paprsky zkrátí. Návrh interferometru by měl být dostatečně flexibilní, aby umožnil nastavení jakéhokoli úhlu mezi interferujícími paprsky s menším nastavením úhlu dopadu a pohybem zrcadel (Engleman et al. 2005). Jak bylo popsáno výše, pro danou vlnovou délku laserového paprsku je rozestup distribuce intenzity určen úhlem mezi interferujícími paprsky. Čím menší je úhel mezi interferujícími paprsky, tím větší je mezera ve vzoru. Horní hranice mezery je tedy stanovena nejmenším dosažitelným úhlem pomocí optiky interferometru. Pro větší mezery by mohly být navrženy speciální bezrámové optické prvky tak, aby umožňovaly menší úhel rušení (Daniel 2006). Rovněž může být začleněna sada zaostřovací optiky, aby se upravila energetická fluence na zobrazovací ploše vzorku.