01はじめに
過去 10 年間で、超高速パルス レーザーの研究は大幅に進歩し、加工の安定性と柔軟性が向上しました。超高速パルス レーザーの加工品質は多くのアプリケーションのニーズを満たすことができますが、加工に超高速パルス (USP) レーザーを使用する場合、産業用途のシナリオでは生産効率がまだ不足しています。 USP 処理を強化するには 2 つの方法があります。1) パルス エネルギーを増加すること。 2) パルス繰り返し率を増やすことによって。 USP レーザーを使用した材料加工の生産効率は他の技術と競合する必要があるため、研究者はレーザー自体を超えたレーザー エネルギー管理に多大な努力を払ってきました。ワークピース上のレーザービームの位置、方向、形状を制御するために、さまざまな機械システムおよび光学システムが使用されます。
02振動ミラーとポリゴンスキャナー
レーザービームの最も堅牢で便利な迅速な位置決めは、垂直方向にほとんど慣性を与えずに 2 つのミラーを傾ける検流計スキャナーを使用して実現されます。焦点距離 160 mm の fθ レンズを備えた最新の検流計スキャナは、100 mm x 100 mm の視野内でレーザー ビームを 20 m/s の速度で移動できます。{1}このような速度では、レーザーパルスをレーザービームの動きと同期させることが困難になります。ポリゴン スキャナはイメージングやバーコード読み取りに広く使用されていますが、材料処理の分野ではまだ新しいものです。レーザービームを 100 ～ 1000 m/s の速度でワークピース表面全体に移動させることができます。 USP レーザー パルスとポリゴンの非常に安定した回転の同期はさらに困難です。ポリゴン スキャナと単軸検流計スキャナを組み合わせることで、高速 2 次元スキャナが開発されました (図 1)。連続レーザーパルスをレーザー加工領域全体に分散させることで、熱の蓄積とプラズマシールド効果が分離されます。
03 レーザービーム整形
ほとんどのレーザーは、ガウス ビーム プロファイルでビームを放射します。強度はビームの中心で高く、端では低くなります。この空間エネルギー分布は、多くの用途、特に薄膜処理では有益ではありません。レーザービーム整形および均質化技術により、幅広いレーザー材料加工用途の形状を最適化できます。回折光学素子 (DOE) は、円形のガウス ビームを長方形のトップハット ビームに変換できます。このビームでは、ビーム直径の大部分が強度を保持するため、図 2 に示すように、プロセスに適したレーザー ビーム形状が得られます。
レーザービームを整形するための柔軟なオプションは、電気的にスイッチされる液晶を備えたピクセル化デバイスに基づく空間光変調器 (SLM) を使用することです。コンピュータ-で生成されたホログラムは SLM 制御電子機器に送信され、レーザー ビームの位相マスクまたは振幅マスクが設定されます。 SLM は、フェムト秒レーザーと連携して、並列処理用の複数の回折ビームを生成し、シリコンとチタン合金の高精度微細構造のスループットを 10 倍以上大幅に向上させます。-
図 2. FBS と球面レンズを使用して形成された正方形の上部レーザー ビームの強度分布 (右)、CCD カメラを使用して測定。入力ビームのプロファイルを左側に示します。レーザーの平均出力は 12 W です。
04 マルチビームシステム-
MHz 範囲の高パルス繰り返し率を備えた高出力 USP レーザーを使用すると、過熱や溶融形成などの熱影響ゾーンの問題が発生し、アブレーションの品質が低下する可能性があります。高いアブレーション品質を達成するには、すべてのプロセス パラメータを慎重に一致させる必要がありますが、高度な検流計やポリゴン スキャナの高いビーム偏向速度が必ずしも正確な微細加工ソリューションを提供するとは限りません。-この場合、図 3 に示すように、複数のレーザー ビームが多用途の高出力アブレーション ソリューションを提供します。図 3 は、回折 1×5 および 5×5 ビーム アレイを形成するためにダンマン格子で作成された格子を使用した並列処理の結果を示しています。
図 3. (a) G1=0 と G2=125 のとき、レーザー表面形状計 (Spiricon) は 1 × 5 (左) と 5 × 5 (右) の配列を観察しました。 (b) 1 × 5 (左) および 5 × 5 (右) のダンマン格子 (G1=0、G2=125) を適用することで、研磨した Ti64 サンプルに止まり穴を加工しました。
05 まとめ
超短パルス レーザーは、ピコ秒からフェムト秒の範囲のパルス幅を持つコヒーレント光パルスを生成し、精密レーザー微細加工においてますます普及してきています。{0}}熱の影響を受けるゾーンを抑制する優れた予測レーザー アブレーションだけでなく、材料との強化された非線形相互作用からも恩恵を受け、特に透明な材料で新たな加工の機会が開かれます。-要約すると、超短パルス レーザーの開発により、アブレーション プロセスの最適化が効果的に促進されました。
