01Giriş
Geçtiğimiz on yılda, ultra hızlı atımlı lazerlerin araştırmalarında önemli ilerlemeler kaydedildi ve bu sayede işleme stabiliteleri ve esneklikleri artırıldı. Ultra hızlı darbeli lazerlerin işleme kalitesi birçok uygulamanın ihtiyaçlarını karşılayabilse de, işleme için ultra hızlı darbeli (USP) lazerler kullanıldığında endüstriyel uygulama senaryoları için üretim verimliliğinde hala bir eksiklik vardır. USP işlemeyi geliştirmenin iki yöntemi vardır: 1) darbe enerjisini artırarak; 2) Nabız tekrarlama oranını artırarak. USP lazerlerini kullanan malzeme işlemenin üretim verimliliği diğer teknolojilerle rekabet etmelidir, bu nedenle araştırmacılar lazerin ötesinde lazer enerjisi yönetimine büyük çaba harcamıştır. Lazer ışınının iş parçası üzerindeki konumunu, yönünü ve şeklini kontrol etmek için çeşitli mekanik ve optik sistemler kullanılır.
02Titreşimli ayna ve çokgen tarayıcı
Lazer ışınının en sağlam ve kullanışlı hızlı konumlandırılması, iki aynayı dikey yönde neredeyse hiç atalet olmadan eğen bir galvanometre tarayıcı kullanılarak elde edilir. 160 mm odak uzaklığına sahip f-teta lense sahip modern galvanometre tarayıcılar, lazer ışınını 100 mm x 100 mm'lik bir görüş alanı içinde 20 m/s hızla hareket ettirebilir. Bu tür hızlarda, lazer darbesini lazer ışınının hareketi ile senkronize etmek zorlaşır. Poligon tarayıcılar görüntüleme ve barkod okuma amacıyla yaygın olarak kullanılmaktadır ve malzeme işleme alanında henüz yenidir. Lazer ışınını iş parçası yüzeyi boyunca 100–1000 m/s hızlarda hareket ettirebilirler. USP lazer darbelerinin poligonun son derece kararlı dönüşüyle senkronizasyonu daha zordur. Çokgen tarayıcıları tek{13}}eksenli galvanometre tarayıcılarla birleştirerek hızlı iki{14}}boyutlu bir tarayıcı geliştirildi (Şekil 1). Sürekli lazer darbelerinin tüm lazer işleme alanı boyunca dağıtımı, ısı birikimini ve plazma koruma etkilerini ayrıştırır.
03 Lazer ışını şekillendirme
Çoğu lazer, Gauss ışın profiline sahip ışınlar yayar. Yoğunluk ışının merkezinde yüksek, kenarlarında ise düşüktür. Bu uzaysal enerji dağılımı pek çok uygulama için, özellikle de ince film işlemede faydalı değildir. Lazer ışını şekillendirme ve homojenleştirme teknikleri, çok çeşitli lazer malzeme işleme uygulamaları için şekli optimize edebilir. Kırınımlı optik elemanlar (DOE'ler), dairesel bir Gauss ışınını, ışın çapının büyük bir kısmının yoğunluğu koruduğu dikdörtgen bir üst şapka ışınına dönüştürebilir, böylece Şekil 2'de gösterildiği gibi işleme uygun bir lazer ışın şekli sağlanır.
Lazer ışınlarını şekillendirmek için esnek bir seçenek, elektrikle anahtarlanan sıvı kristallere sahip pikselli cihazlara dayalı uzaysal ışık modülatörlerinin (SLM) kullanılmasıdır. Bilgisayar- tarafından oluşturulan hologramlar, lazer ışınının faz veya genlik maskelerini ayarlamak için SLM kontrol elektroniğine iletilir. SLM, femtosaniye lazerlerle birlikte, paralel işleme için çok sayıda kırınımlı ışın üreterek silikon ve titanyum alaşımlarının yüksek-hassas mikroyapılandırılmasının verimini on kattan fazla önemli ölçüde artırır.
Şekil 2. Bir FBS ve küresel bir lens (sağda) kullanılarak oluşturulan kare üstlü bir lazer ışınının CCD kamera kullanılarak ölçülen yoğunluk dağılımı. Giriş ışın profili solda gösterilmiştir. Ortalama lazer çıkış gücü 12 W'dur.
04 Çok-ışınlı sistem
MHz aralığında yüksek darbe tekrarlama hızına sahip yüksek güçlü USP lazerlerin kullanılması, aşırı ısınma ve erime oluşumu gibi termal etki bölgesi sorunlarına yol açarak ablasyon kalitesini düşürebilir. Yüksek ablasyon kalitesi elde etmek, tüm süreç parametrelerinin dikkatli bir şekilde eşleştirilmesini gerektirir, ancak gelişmiş galvanometrelerin veya poligon tarayıcıların yüksek ışın saptırma hızı her zaman hassas mikro-işleme çözümleri sağlamaz. Bu durumda, çok sayıda lazer ışını, Şekil 3'te gösterildiği gibi çok yönlü, yüksek güçlü bir ablasyon çözümü sunar; bu, 1x5 ve 5x5 ışın dizileri kırınımını oluşturmak için Dammann ızgarası ile oluşturulan bir ızgara kullanılarak paralel işlemenin sonuçlarını gösterir.
Şekil 3. (a) G1=0 ve G2=125 olduğunda, bir lazer profilometre (Spiricon) 1 × 5 (solda) ve 5 × 5 (sağda) bir dizi gözlemledi. (b) Kör delikler, 1 × 5 (sol) ve 5 × 5 (sağ) Dammann ızgarası (G1=0, G2=125) uygulanarak cilalanmış Ti64 numuneleri üzerinde işlendi.
05 Özet
Ultra kısa darbeli lazerler, pikosaniyeden femtosaniyeye kadar değişen darbe sürelerine sahip tutarlı ışık darbeleri üretir ve hassas lazer mikro-işlemede giderek daha popüler hale gelir. Yalnızca ısıdan etkilenen bölgeyi baskılayan iyi öngörücü lazer ablasyondan değil, aynı zamanda malzemelerle geliştirilmiş doğrusal olmayan etkileşimlerden de yararlanarak, özellikle şeffaf malzemelerle yeni işleme fırsatlarının önünü açıyorlar. Özetle, ultra kısa darbeli lazerlerin geliştirilmesi, ablasyon sürecinin optimizasyonunu etkili bir şekilde desteklemiştir.
