Modulátor svazků pro čtvercové top-hat profily v ohniskovém bodě
Referenční projekt
Čtvercové profily intenzity pro lepší výsledky při laserovém zpracování materiálu
Laserové výrobní metody se uchytily především v aditivní výrobě. Jednou z jejich výhod je, že umožňují přizpůsobit rozložení intenzity požadované interakci mezi materiálem a laserovým paprskem. Díky spolupráci s OSIM Otto Schott Institute for Materials Research v Jeně byl do série BeamTuning společnosti asphericon přidán nový typ prvku pro refraktivní modulaci svazku. a|SqAiryShape umožňuje různé čtvercové rozložení intenzity v ohnisku. Umožňuje také zkrátit dobu zpracování a optimalizovat monitorování procesu, což vede k nanostrukturování povrchu s vynikajícími kvalitami povrchu.
Detaily projektu
Při zpracování materiálů laserem je stále důležitější kvalita záření v místě zaostřeného laserového paprsku, zejména jeho tvar. Zde přichází na řadu modulace paprsku. Modulátory paprsku lze použít k přesnému, avšak flexibilnímu přizpůsobení profilu intenzity ohniska konkrétnímu úkolu zpracování. Přestože gaussovské intenzitní profily umožňují odstranit extrémně malá množství materiálu, nejsou zcela homogenní. Navíc jejich intenzita směrem k okraji výrazně klesá, což je zvláště patrné při kontrole hloubky a kvality úběru. Kvalitnější výsledky při laserovém zpracování materiálu lze dosáhnout pomocí čtvercových cylindrických profilů, které mají mnohem konzistentnější rozložení energie v celém průřezu ohniska.
asphericon se spojil s OSIM Otto Schott Institute for Materials Research v Jeně, aby úspěšně vyvinula a otestovala nový tvarovač lomu. Umožňuje transformaci profilu intenzity laserového paprsku tak, aby bylo možné generovat přizpůsobené profily čtvercové intenzity. Při použití ve spojení s fokusační optikou byl úspěch tohoto tvarovače paprsku prokázán generováním LIPSS (laserem indukované periodické povrchové struktury).
Generování top-hat profilů
Profily top-hat lze vytvářet několika způsoby, například pomocí modulace světla, refrakčních/difrakčních prvků a apertur. Ve srovnání s prvky pro tvarování difrakčního svazku mají refrakční prvky následující výhody:
- Jednoduchá výroba
- Vysoká účinnost transformace
- Nízká citlivost na změny vlnové délky
- Vyšší odolnost vůči výkonným laserům
Tvarování svazku pomocí a|SqAiryShape je založeno na kombinaci modulátoru lomu paprsku a zaostřovací optiky – buď jednoduché zaostřovací čočky nebo složité čočky f-theta často používané při zpracování laserových materiálů. V tomto uspořádání funguje a|SqAiryShape jako volný povrch a vtiskuje kolimovanému laserovému paprsku definovanou fázovou modulaci. Následná zaostřovací optika upravuje příchozí paprsek do požadovaného tvaru pomocí Fourierovy transformace. Nastavení pro charakterizaci výsledných profilů paprsku je znázorněno na obr. 1. Diagram také ukazuje různá rozložení intenzity (cylindr, prstenec) vedoucí k ohnisku.
Obr.1: Experimentální nastavení pro charakterizaci free form prvku pro tvarování paprsku.
Obr. 2 ukazuje průřezy svazku podél optické osy bez (a) a s (b) a|SqAiryShape a také barevné znázornění čtvercového rozložení intenzity ohniska profilu top-hat vytvořeného v ohnisku (c ). Modulace svazku probíhá výhradně v oblasti ohniska. Gaussovo rozdělení je zřetelně plošší (modře vystínovaná oblast) s modulátorem svazku (b) než bez něj (a).
Obr. 2: Různá znázornění profilu měřeného svazku: (a) průřez podél optické osy bez a|SqAiryShape, (b) průřez podél optické osy s a|SqAiryShape, (c) barevné znázornění měřeného čtvercového ohniska rozložení intenzity.
Výsledky projektu
Testování tvarovače paprsku se strukturováním povrchu
Modulátor svazku byl testován v experimentech se strukturováním povrchu generováním laserem indukovaných periodických struktur. LIPSS jsou periodické vzory v rozsahu pod-µm. Vznikají interferenčními efekty v místě zaostřeného laserového paprsku na povrchu materiálu a v kovech se vyskytují kolmo k poloze lineárního paprsku. Jako podkladový materiál byly použity vzorky oceli, které byly předem broušeny, leštěny a očištěny se střední čtvercovou drsností R_a=4 nm. Experimentální uspořádání použité během procesu strukturování je znázorněno na obr. 3. Fs laser [1] emitoval lineárně polarizované světlo, které bylo pětinásobně rozšířeno pomocí a|BeamExpander a upraveno pomocí a|SquAiryShape [2]. Nakonec byl použit galvanometrový skener [3] a čočka f-theta [4] k zaostření svazku do požadované zóny zpracování [5].
Obr.3: Experimentální uspořádání v experimentech se strukturováním povrchu.
Nejprve byly měřeny charakteristiky rozložení intenzity bez modulátoru paprsku jako referenční hodnoty. Za tímto účelem byl povrch vzorku ozářen 10 pulsy (f_rep=100 kHz) s energií pulsu E_imp=6,5 µJ a maximální fluence laseru F = 2,9 J/cm?, což vedlo k průměru ohniskového bodu 2wf = (24 ± 0,5) mm. Pro zkoumání tvorby taveniny při použití a|SqAiryShape byly generovány ablační body v různých vzdálenostech od povrchu vzorku (osa z) s konstantní energií pulzu E_imp=6,5 µJ. Výsledky byly zaznamenány pomocí SEM (skenovací elektronová mikroskopie) a jsou uvedeny na obrázku 4.
Obr.4: SEM snímky povrchů vzorků v oblasti distribuce fokální intenzity po ozáření 10 lineárně polarizovanými jednotlivými fs pulzy s konstantní energií jednoho pulzu E_imp=6,5 µJ každý v různých polohách z od povrchu vzorku.
V referenčních bodech z = 0 az = –0,6 mm mají ablační body čtvercový profil cylindru, což vede k ablaci materiálu čtvercového tvaru o 30 x 30 µm? (0,72 J/cm?) a 40 x 40 µm? (0,4 J /cm?) – ideální pro laserové zpracování materiálů. Ve srovnání s gaussovskými ohniskovými body a za předpokladu dokonalého obdélníkového rozložení intenzity vedou větší obdélníkové profily top-hat s konstantní energií pulzu k nižším špičkovým intenzitám laseru. Kromě toho a|SqAiryShape také nabízí další mezistupně pro další, neobvyklejší rozložení intenzity užitečné pro vytváření nových struktur. V poloze z = –1,0 mm lze pozorovat rozložení intenzity ve tvaru prstence, zatímco v poloze z = –0,35 mm je rozložení intenzity zcela obrácené, s vysokou intenzitou ve středu (pás svazku). Snímky SEM navíc ukazují dobře definovanou, homogenní distribuci LIPSS v místě ablace, která v podstatě závisí na rozložení intenzity, a tedy na poloze z. Modulátor svazku proto umožňuje řídit distribuci LIPSS výběrem profilu svazku, což zajišťuje vysokou flexibilitu v procesu strukturování.
Kromě toho lze tvorbu LIPSS zvětšit na větší povrchy prostřednictvím relativního pohybu mezi laserovým svazkem a povrchem vzorku. Ve srovnání se strukturováním pomocí profilu gaussovského paprsku lze téměř identické LIPSS generovat s nižší energií laserových pulsů, vyššími rychlostmi skenování (dvakrát rychlejšími) a roztečí řádků skenování pomocí profilu paprsku cylindru (z = 0) s jeho čtvercovým tvarem, větší průměr profilu a strmější hrany.
Kvalitativní studie vlivu rozložení intenzity na mikrostrukturování
Aby bylo možné studovat, jak rozložení intenzity ovlivňuje produkované povrchové struktury a jejich kvalitu povrchu, byly vytvořeny kanály s top-hat a donut profily s použitím různých pulzních energií. Výsledky jsou znázorněny na obrázku 5. Svazky top-hat a donut profilů lze použít k vytvoření strmějších stěn kanálů a především lepších povrchových vlastností ve dně než Gaussovské profily. Obzvláště vysoké kvality povrchu na stěně kanálu a na dně lze dosáhnout použitím středních pulzních energií s homogenním rozložením intenzity napříč profilem svazku (obr. 5a a 5b). Naproti tomu vysoké energie pulzů a vysoké špičkové intenzity laseru vedou k drsným, nehomogenním povrchům na dně kanálu (obr. 5c). Hloubka a šířka kanálů může být také řízena energií impulsu; zvyšují se s rostoucí energií pulzu (obr. 5d).
Obr. 5: Snímky povrchu vzorku z interferometrie bílého světla ukazující drsnost povrchu pro ilustraci 3D geometrie kanálovitých struktur (10 skenů při v = 0,1 m/s s použitím profilu cylindru a různých energií pulzu): a) E_imp=2,5 µJ, b) E_imp=4,6 µJ, c) E_imp=7 µJ, d) srovnání průřezů kanálů.
Při strukturování velkých povrchů lze profil paprsku flexibilně přeměnit na čtvercový profil svazku ve tvaru prstence (odpovídající profilu paprsku z = –0,9 mm na obr. 4) změnou vzdálenosti od povrchu vzorku (osa z). Profily svazku ve tvaru prstence mají ve středu intenzitu téměř nula, což naznačuje, že do těchto oblastí nedosahuje žádné laserové záření vysoké intenzity a úběr materiálu je zde velmi omezený. Výsledkem je průřez s profilem ve tvaru W (obr. 6c), který – za předpokladu vhodného rozmístění skenovacích čar – lze použít k aplikaci překrývajících se periodických vzorů nanoměřítek (LIPSS) s homogenními, pravidelnými povrchy (obr. 6a a 6b). V tomto příkladu byly tímto způsobem vytvořeny šířky kanálů 40 µm a hloubky ablace 10 µm s deseti skeny při rychlosti skenování v = 0,1 m/s a energii pulsu E_imp= 4,6 µJ.
Obr.6: Mikrokanál vyrobený na nerezové oceli s použitím profilu svazku ve tvaru čtverce (z = –0,9 mm), 10 skenů při v = 0,1 m/s a energie jednoho pulzu E_imp= 4,6 µJ: (a) SEM snímek, ( b) WLIM snímek, (c) příčný řez výškovým profilem.
Výhody a|SqAiryShape při strukturování LIPSS
- Vysoká flexibilita při generování různých profilů čtvercového paprsku změnou rozteče skenovacích řádků (osa Z)
- Rychlejší zpracování při strukturování LIPSS ve spojení s vysokou stabilitou procesu a nízkou energií laserových pulsů
- Strukturování velkých ploch
- Velmi pravidelná periodicita LIPSS
- Vytváří strmé, přesné stěny kanálů s vysokou kvalitou povrchu
Pro více info: Schlutow, H.; Fuchs, U.; Müller, F.A.; Gräf, S. Squared Focal Intensity Distributions for Applications in Laser Material Processing. In: Materials 2021, 14, 4981. https://doi.org/10.3390/ma14174981
Chcete-li se dozvědět více o principu našeho modulátoru svazků a|SqAiryShape, přejděte na asphericon.com/cs/solutions/products/beamtuning/beam-shaping/
