Przetwarzanie zakłóceń laserowych z China Harsle

Aspekty laserowe i materiały

Jak wspomniano wcześniej, wzorce zakłóceń są uzyskiwane z wiązek, które są spójne. Niepomyślne wiązki nie zakłócałyby wytwarzania ciemnych i jasnych frędzli (z powodu modulacji intensywności w fali powstałej). Zarówno czasowa, jak i przestrzenna spójność wiązek należy zachować, aby zrealizować wzór zakłóceń. Spójność przestrzenna jest związana z korelacją między dwoma punktami na tym samym froncie falowym, podczas gdy spójność czasowa jest związana z korelacją podobnych punktów na różnych frontach falowych. Na przestrzenną koherencję wiązek ma duży wpływ obecność wielu trybów podłużnych w produkcji laserowej (Engleman i in. 2005). Zasadniczo utrata spójności występuje wraz ze wzrostem liczby trybów podłużnych. Rycina 11.3 przedstawia wpływ wielu trybów podłużnych na widoczność frędzli w eksperymencie interferometrycznym. Jak wskazano na rysunku, widoczność frędzli zmniejsza się wraz z różnicą ścieżki dla wielomodowego działania lasera. Zatem w operacjach wielomodowych dopuszczalna różnica ścieżki jest ograniczona (Ready 1997). Spójność czasowa jest związana z przepustowością widmową źródła. Węższe zespoły powodują dłuższy czas spójności. Czas spójności (? T) wyraża się jako wzajemność szerokości linii. Długość spójności (? X) jest następnie podawana przez iloczyn prędkości fali (C) i czas spójności (? T). Na długość koherencji ma ponownie wpływ liczba trybów operacyjnych. Na przykład typowa długość koherencji lasera HE - NE znajduje się w zakresie 20 cm, podczas gdy typowa długość koherencji w pojedynczym trybie lasera HE - NE Laser jest w zakresie 100 000 cm (Ready 1997).

Rodzaj źródła lasera określa wzór interferencji wytwarzany na powierzchni materiału. Najważniejsze parametry laserowe to długość fali laserowej i

Ryc. 11.3 Zmienność widoczności grzywki z różnicą ścieżki dla lasera działającego z N trybami podłużnymi w

Interferometrycznyeksperyment. (Przedruk z Ready 1997. Za zgodą. Prawa autorskie Elsevier.)

Ryc. 11.4 Zmienność teoretycznego odstępu od frędzości z kątem między zakłócającymi wiązkami dla niektórych wspólnych długości fali używanych laserów

w przetwarzaniu materiałów. (Przedrukowane z Engleman i in. 2005. Za zgodą. Prawa autorskie Minerały, Metale i Material Society.)

Kąt między zakłócającymi wiązkami. Parametry te określają odstępy frędzlowe zgodnie z równaniem. (11.2). Rycina 11.4 przedstawia teoretyczną zmianę odstępów od frędzlowej z kątam zakłóceń dla niektórych wspólnych długości fal zastosowanych w przetwarzaniu materiałów laserowych. Rysunek wskazuje, że dla danej długości fali lasera wytwarzane są krótsze odstępy od frain, a belki zakłócają duży kąt. Rysunek wskazuje również, że krótsze długości fali (266, 355, 532 i 1064 nm) wytwarzają odstępy od frędzy, które są proporcjonalnie mniejsze niż te wytwarzane przez lasery o dłuższej długości fali (10,6? M). Fizyczna dolna granica odstępów frędzlowych zgodnie z równaniem. (11.2) to połowa długości fali lasera. Odstępy grzywne znacznie wpływają na rozdzielczość przestrzenną cech na powierzchni materiału poprzez połączenie efektów, takich jak efekty fizyczne, chemiczne i metalurgiczne (Engleman i in. 2005). Oprócz długości fali i kąta między zakłócającymi wiązkami, drugim ważnym parametrem laserowym jest fluencja laserowa (gęstość energii). Fluencja laserowa jest określana przez moc laserową, napromieniowaną powierzchnię i czas napromieniania. Fluencja laserowa wraz z termofyzycznymi właściwościami materiałów określa rozkład temperatury w materiałach. Rozkłady temperatury w materiałach podczas przetwarzania powierzchni lasera są ogólnie uzyskiwane przez rozwiązanie równania Fouriera przenoszenia ciepła.

Gdzie t = t (x, z, t) jest temperaturą w pozycji (x, z) w czasie t; R, K i CP są odpowiednio gęstością, przewodnictwo cieplne i ciepło właściwe materiału;to pochłonięte ciepło, ciepło topnienia i ciepłoodpowiednio para. Ilość ciepła pochłoniętego przez materiał zależy od chłonności materiału, który jest określany przez różne czynniki związane z materiałem i powierzchnią, takie jak chropowatość powierzchni, zanieczyszczenie powierzchni, kąt pochylenia itp. Roztwór równania przenoszenia ciepła daje rozkład temperatury rozkładu temperatury jako funkcja parametrów laserowych i właściwości materiału. W przypadku uproszczonego przypadku przewodzenia onedimensional bez efektów konwekcji i promieniowania roztwór równania przenoszenia ciepła można ponownie zorganizować, aby oszacować energię wymaganą do wytworzenia pojedynczej granicy określonej wielkości cechy powierzchni.

Obszar powierzchni zmodyfikowany przez topnienie, ablację itp. Określa rozmiar cechy (D), który można utworzyć na powierzchni. Aby uzyskać dobrze zdefiniowany rozróżnialny wzór okresowy, rozmiar cechy musi być równy lub mniejszy niż odstępy frędzlowe (D). Wraz ze wzrostem przewodności materiału ciepło jest szybko rozpraszane, zwiększając obszar zmodyfikowany przez wzór zakłóceń. W przypadku materiału o niskiej przewodności efekty termiczne spowodowane modulowaną intensywnością są ograniczone do bardzo wąskich regionów, które powodują rozmiary cech mniejsze niż odstępy fringe (ryc. 11.5). Wraz ze wzrostem przewodnictwa materiału rozmiar cechy zbliża się do odstępów frędzlowych. Rysunek 11.5 wskazuje również wpływ na zwiększenie kąta zakłóceń na odstępy fringe. Na podstawie analizy przeniesienia ciepła omówionego w sekcji 11.2, Tabela 11.1 zawiera obliczoną ilość energii wymaganych do wytworzenia wielkości cech powierzchniowych równych odmienności z frędzlami interferencyjnymi dla różnych materiałów napromieniowanych niektórymi wspólnymi źródłami laserowymi. Tabela zawiera zatem wytyczne dotyczące wyboru odpowiednich parametrów przetwarzania laserowego w celu uzyskania pożądanych struktur geometrycznych w danym materiale poprzez napromieniowanie za pomocą wzoru zakłóceń laserowych (Engleman i in. 2005).

Aspekty projektowania interferometru

Typowe projekty interferometru ogólnie składają się z teleskopu rozszerzającego wiązkę (BET), optyki interferometru (podział wiązki i zestaw luster) i optyki skupienia. BET określa rozmiar wiązki przez interferometr, a tym samym określa fluencję energetyczną na powierzchni próbki. Wiązka lasera jest następnie podzielona przez rozdzielacz wiązki na wiele wiązek, które są następnie pełne Superponowania na powierzchni próbki

Ryc. 11.5 Wpływ kąta między wiązkami a przewodnictwem materiału na odstępach interferencyjnych (D) i wielkości cech (D)

uzyskane na powierzchni.(Przedruk z Englanleret Al. 2005. Za zgodą. Prawa autorskie Minerały,Społeczeństwo metali i materiałów.)

Wsing zestaw luster. Kontrast między jasnymi i ciemnymi frędzlami we wzorze zakłóceń zależy od rozkładu intensywności w fali powstałej. Różnica ścieżki optycznej między falami zakłócającymi zależy od różnicy długości ramion interferometru. Różnica ścieżki optycznej musi być mniejsza niż długość spójności, aby utrzymać czasową spójność. Różnica ścieżki optycznej określa również, jak dobrze zdefiniowany jest wzór. Jeśli jedno ramię interferometru jest krótsze od drugiego, wiązka z krótszego ramienia dojdzie do powierzchni próbki najpierw zainicjując modyfikacje powierzchni na powierzchni próbki. W takim przypadku czas interakcji między wiązkami spadnie. Projekt interferometru powinien być wystarczająco elastyczny, aby umożliwić ustawienie dowolnego kąta między zakłócającymi wiązkami z niewielką regulacją kąta padania i ruchem luster (Engleman i in. 2005). Jak opisano wcześniej, dla danej długości fali wiązki laserowej, odstępy rozkładu intensywności są określone przez kąt między wiązkami zakłócającymi. Im mniejszy kąt między zakłócającymi wiązkami, tym większy jest odstęp w wzorze. Zatem górna granica odstępów jest określana przez najmniejszy osiągalny kąt z optyką interferometru. W przypadku większych odstępów można zaprojektować specjalne elementy optyczne bezramkowania, aby umożliwić mniejszy kąt zakłóceń (Daniel 2006). Można również włączyć zestaw optyki ogniskowej w celu dostosowania fluencji energetycznej na powierzchni obrazowania próbki.