Modulátor svazků pro laserové zpracování materiálu
Referenční projekt
asphericon analyzoval různá rozložení intenzity pro jejich vhodnost pro laserové zpracování materiálu femtosekundovými lasery.
Ačkoli lze profily gaussovského svazku použít ke generování malých velikostí struktur přímou ablací materiálu, vykazují slabé stránky z hlediska hloubky a kvality ablace. Vzhledem k jejich charakteristickému tvaru profilu se intenzita na okrajích paprsku snižuje a způsobuje nehomogenní ablace. Ve spolupráci s Otto Schott Institute for Materials Research v Jeně asphericon analyzoval různá soustředěná rozložení intenzity (např. top-hat, donut) z hlediska jejich vhodnosti pro zpracování materiálu femtosekundovými lasery.
Detaily projektu
Modulace paprsku je vhodná zejména pro laserové zpracování materiálu, jako je řezání, svařování a značení v oblasti mikroobrábění. Ačkoli lze Gaussovo rozložení intenzity použít k realizaci malých velikostí struktur přímým úběrem materiálu, existují nedostatky týkající se hloubky úběru a kvality. Intenzita na okrajích paprsku klesá a způsobuje tak nehomogenní ablaci. Kromě optimalizace laseru a parametrů zpracování nabízí přizpůsobení rozložení ohniskové intenzity velký potenciál pro vysoce přesné výsledky. Ve spolupráci s Otto Schott Institute of Materials Research (OSIM) v Jeně asphericon analyzoval různé přizpůsobené distribuce intenzity (např. top-hat, donut) s ohledem na jejich vhodnost pro zpracování materiálu femtosekundovým laserem na mikro- a nanoměřítku, jako je řezání a značení.
Realizace projektu
K získání různých distribucí soustředěné intenzity (zejména top-hat) byl použit asférický a|AiryShape. Nejprve převede kolimovaný Gaussův svazek na kolimovaný profil intenzity ve tvaru Airy nebo Bessel pomocí fázové destičky. Následně zaostřovací čočka provádí Fourierovu transformaci na funkci vstupní intenzity a odpovídající Fourierův protějšek se vyskytuje v její ohniskové rovině. A|AiryShape umožňuje generovat několik rozložení intenzity (např. top-hat, donut) v různých pracovních rovinách s jedním nastavením, přičemž přesvědčí extrémně krátkou celkovou délkou (17,3 mm).
Obrázek: Srovnání mezi Gaussian, Donut a Top-Hat profilem. a – c = rastrovací elektronový mikroskop (SEM) mikrofotografie kanálových struktur pulzů vyrobených fs-laserovou ablací (skenování jedné linie v=0,1 m/s, 1000 iterací, Eim=11,3 µJ jako funkce počtu přeskenování pomocí různé distribuce ohniskové intenzity); d - f: mikrofotografie z interferenční mikroskopie s bílým světlem (WLIM), 3D geometrie odpovídajících kanálů získaná z deseti přeskenování
Obrázky a - c ukazují řádkové skeny prováděné s různými profily svazku. Ve srovnání s (nehomogenním) Gaussovým profilem (obr. a/d) vykazují profily svazků generované pomocí a|AiryShape (b/e: Donut; c/f: Top-Hat) velmi homogenní ablaci. Zařízení pro tvarování paprsku je vhodné pro práci se skenerem a F-Theta objektivem, který se běžně používá pro zpracování materiálu. Následující mikrofotografie SEM ukazují výsledky jednotlivých skvrn na nerezové oceli jako funkci laserového pulzu fs (N=200). Donut a top-hat vykazují nižší hloubky ablace (rozsah 5-10 µm) v důsledku distribuce energie pulzu na větší plochu. To umožňuje například rovnoměrnější ablaci materiálu.
Figure: Výsledky z jednotlivých míst na nerezové oceli. Profil donut a top-hat produkují nižší hloubky ablace díky distribuci pulzní energie na větší plochu.
Stručný pohled na optiku pro laserové zpracování materiálu
- Kompaktní modulátor svazků pro generování různých profilů zaostřeného svazku (top-hat, donut, beam waist) v různých pracovních rovinách
- Zvětšení šířky kanálů a menší hloubky ablace díky homogennějšímu rozložení energie pulzu na větší ploše
Zjistěte více o principu našeho modulování svazku a|AiryShape at: asphericon.com/cs/solutions/products/beamtuning/beam-shaping/
