01Introduction
Au cours de la dernière décennie, des progrès significatifs ont été réalisés dans la recherche sur les lasers pulsés ultrarapides, améliorant ainsi leur stabilité et leur flexibilité de traitement. Bien que la qualité de traitement des lasers pulsés ultrarapides puisse répondre aux besoins de nombreuses applications, il existe toujours un manque d'efficacité de production pour les scénarios d'application industrielle lors de l'utilisation de lasers pulsés ultrarapides (USP) pour le traitement. Il existe deux méthodes pour améliorer le traitement USP : 1) en augmentant l’énergie d’impulsion ; 2) en augmentant le taux de répétition des impulsions. L'efficacité de la production du traitement des matériaux à l'aide des lasers USP devrait rivaliser avec d'autres technologies, c'est pourquoi les chercheurs ont déployé d'énormes efforts dans la gestion de l'énergie laser au-delà du laser lui-même. Divers systèmes mécaniques et optiques sont utilisés pour contrôler la position, la direction et la forme du faisceau laser sur la pièce.
02Miroir vibrant et scanner de polygones
Le positionnement rapide le plus robuste et le plus pratique du faisceau laser est obtenu à l'aide d'un scanner galvanométrique, qui incline deux miroirs avec presque aucune inertie dans la direction verticale. Les scanners galvanométriques modernes dotés d'une lentille f-thêta de 160 mm de distance focale peuvent déplacer le faisceau laser à une vitesse de 20 m/s dans un champ de vision de 100 mm x 100 mm. À de telles vitesses, la synchronisation de l’impulsion laser avec le mouvement du faisceau laser devient difficile. Les scanners polygonaux sont largement utilisés pour l’imagerie et la lecture de codes-barres, et ils sont encore nouveaux dans le domaine du traitement des matériaux. Ils peuvent déplacer le faisceau laser sur la surface de la pièce à des vitesses de 100 à 1 000 m/s. La synchronisation des impulsions laser USP avec la rotation hautement stable du polygone est plus difficile. En combinant des scanners polygonaux avec des scanners galvanométriques à un seul-axe, un scanner bidimensionnel rapide-a été développé (Figure 1). La distribution d'impulsions laser continues sur toute la zone de traitement laser dissocie l'accumulation de chaleur et les effets de blindage plasma.
03 Mise en forme du faisceau laser
La plupart des lasers émettent des faisceaux avec un profil de faisceau gaussien. L'intensité est élevée au centre du faisceau et plus faible sur les bords. Cette distribution spatiale de l’énergie n’est pas bénéfique pour de nombreuses applications, notamment dans le traitement de couches minces. Les techniques de mise en forme et d'homogénéisation du faisceau laser peuvent optimiser la forme pour une large gamme d'applications de traitement de matériaux au laser. Les éléments optiques diffractifs (DOE) peuvent convertir un faisceau gaussien circulaire en un faisceau de chapeau rectangulaire -, où une grande partie du diamètre du faisceau conserve l'intensité, fournissant ainsi une forme de faisceau laser adaptée au processus, comme le montre la figure 2.
Une option flexible pour façonner les faisceaux laser consiste à utiliser des modulateurs spatiaux de lumière (SLM) basés sur des dispositifs pixelisés dotés de cristaux liquides à commutation électrique. Des hologrammes générés par ordinateur-sont transmis à l'électronique de commande SLM pour définir les masques de phase ou d'amplitude du faisceau laser. Le SLM, associé aux lasers femtoseconde, génère plusieurs faisceaux diffractés pour un traitement parallèle, augmentant considérablement de plus de dix fois le débit de microstructuration de haute -précision des alliages de silicium et de titane.
Figure 2. La distribution d'intensité d'un faisceau laser carré formé à l'aide d'un FBS et d'une lentille sphérique (à droite), mesurée à l'aide d'une caméra CCD. Le profil du faisceau d'entrée est affiché à gauche. La puissance moyenne de sortie du laser est de 12 W.
04 Système multifaisceau-
L'utilisation de lasers USP haute puissance avec un taux de répétition d'impulsions élevé dans la gamme MHz peut entraîner des problèmes de zone d'impact thermique, tels qu'une surchauffe et une formation de fusion, ce qui peut réduire la qualité de l'ablation. Atteindre une qualité d'ablation élevée nécessite une correspondance minutieuse de tous les paramètres du processus, mais la vitesse de déviation du faisceau élevée des galvanomètres ou des scanners polygonaux avancés ne fournit pas toujours des solutions de micro-usinage précises. Dans ce cas, plusieurs faisceaux laser offrent une solution d'ablation polyvalente de haute puissance, comme le montre la figure 3, qui illustre les résultats d'un traitement parallèle utilisant un réseau créé avec un réseau de Dammann pour former des réseaux de faisceaux de diffraction 1 × 5 et 5 × 5.
Figure 3. (a) Lorsque G1=0 et G2=125, un profilomètre laser (Spiricon) a observé un réseau 1 × 5 (à gauche) et un réseau 5 × 5 (à droite). (b) Des trous borgnes ont été traités sur des échantillons de Ti64 polis en appliquant un réseau de Dammann 1 × 5 (à gauche) et 5 × 5 (à droite) (G1=0, G2=125).
05 Résumé
Les lasers à impulsions ultracourtes génèrent des impulsions lumineuses cohérentes avec des durées d'impulsion allant de la picoseconde à la femtoseconde et sont de plus en plus populaires dans le micro-usinage laser de précision. Ils bénéficient non seulement d'une bonne ablation laser prédictive qui supprime la zone affectée par la chaleur, mais également d'interactions non linéaires améliorées avec les matériaux, ouvrant ainsi de nouvelles opportunités de traitement, en particulier avec les matériaux transparents. En résumé, le développement de lasers à impulsions ultracourtes a efficacement favorisé l’optimisation du processus d’ablation.
