01Introducción
En la última década, se han logrado avances significativos en la investigación de láseres pulsados ultrarrápidos, mejorando su estabilidad y flexibilidad de procesamiento. Aunque la calidad del procesamiento de los láseres pulsados ultrarrápidos puede satisfacer las necesidades de muchas aplicaciones, todavía existe una falta de eficiencia de producción para escenarios de aplicaciones industriales cuando se utilizan láseres pulsados ultrarrápidos (USP) para el procesamiento. Existen dos métodos para mejorar el procesamiento de la USP: 1) aumentando la energía del pulso; 2) aumentando la frecuencia de repetición del pulso. La eficiencia de producción del procesamiento de materiales utilizando láseres USP debería competir con otras tecnologías, por lo que los investigadores han puesto un enorme esfuerzo en la gestión de la energía láser más allá del propio láser. Se utilizan varios sistemas mecánicos y ópticos para controlar la posición, dirección y forma del rayo láser en la pieza de trabajo.
02Espejo vibratorio y escáner de polígonos
El posicionamiento rápido más robusto y cómodo del rayo láser se logra mediante un escáner galvanómetro, que inclina dos espejos casi sin inercia en dirección vertical. Los escáneres galvanómetros modernos con una lente f-theta de 160 mm de distancia focal pueden mover el rayo láser a una velocidad de 20 m/s dentro de un campo de visión de 100 mm x 100 mm. A tales velocidades, sincronizar el pulso láser con el movimiento del rayo láser resulta un desafío. Los escáneres poligonales se utilizan ampliamente para la lectura de imágenes y códigos de barras, y todavía son nuevos en el campo del procesamiento de materiales. Pueden mover el rayo láser a través de la superficie de la pieza a velocidades de 100 a 1000 m/s. La sincronización de los pulsos del láser USP con la rotación altamente estable del polígono es más desafiante. Combinando escáneres poligonales con escáneres galvanómetros de un solo-eje, se desarrolló un escáner bidimensional rápido-(Figura 1). La distribución de pulsos láser continuos por toda el área de procesamiento láser desacopla la acumulación de calor y los efectos de protección del plasma.
03 Conformación del rayo láser
La mayoría de los láseres emiten haces con un perfil de haz gaussiano. La intensidad es alta en el centro del haz y más baja en los bordes. Esta distribución espacial de energía no es beneficiosa para muchas aplicaciones, especialmente en el procesamiento de películas delgadas. Las técnicas de homogeneización y conformación del haz láser pueden optimizar la forma para una amplia gama de aplicaciones de procesamiento de materiales con láser. Los elementos ópticos difractivos (DOE) pueden convertir un haz gaussiano circular en un haz de copa rectangular, donde una gran parte del diámetro del haz retiene la intensidad, proporcionando así una forma de haz láser adecuada para el proceso, como se muestra en la Figura 2.
Una opción flexible para dar forma a los rayos láser es utilizar moduladores de luz espacial (SLM) basados en dispositivos pixelados con cristales líquidos conmutados eléctricamente. Los hologramas-generados por computadora se transmiten a la electrónica de control del SLM para establecer máscaras de fase o amplitud para el rayo láser. El SLM, junto con láseres de femtosegundos, genera múltiples haces difractados para procesamiento paralelo, lo que aumenta significativamente el rendimiento de la microestructuración de alta-precisión de aleaciones de silicio y titanio en más de diez veces.
Figura 2. Distribución de intensidad de un rayo láser superior cuadrado formado con un FBS y una lente esférica (derecha), medida con una cámara CCD. El perfil del haz de entrada se muestra a la izquierda. La potencia media de salida del láser es de 12 W.
04 Sistema multi-haz
El uso de láseres USP de alta potencia con una alta tasa de repetición de pulsos en el rango de MHz puede provocar problemas en la zona de impacto térmico, como sobrecalentamiento y formación de masa fundida, que pueden reducir la calidad de la ablación. Lograr una alta calidad de ablación requiere una cuidadosa coincidencia de todos los parámetros del proceso, pero la alta velocidad de deflexión del haz de los galvanómetros o escáneres poligonales avanzados no siempre proporciona soluciones de micro-mecanizado precisas. En este caso, múltiples rayos láser ofrecen una solución de ablación versátil de alta potencia, como se muestra en la Figura 3, que ilustra los resultados del procesamiento paralelo utilizando una rejilla creada con una rejilla Dammann para formar conjuntos de haces de difracción de 1×5 y 5×5.
Figura 3. (a) Cuando G1=0 y G2=125, un perfilómetro láser (Spiricon) observó una matriz de 1 × 5 (izquierda) y de 5 × 5 (derecha). (b) Se procesaron orificios ciegos en muestras pulidas de Ti64 aplicando una rejilla Dammann de 1 × 5 (izquierda) y 5 × 5 (derecha) (G1=0, G2=125).
05 Resumen
Los láseres de pulso ultracorto generan pulsos de luz coherentes con duraciones que van desde picosegundos hasta femtosegundos, y se están volviendo cada vez más populares en el micro{0}}mecanizado láser de precisión. Se benefician no solo de una buena ablación láser predictiva que suprime la zona afectada por el calor-sino también de interacciones no lineales mejoradas con materiales, lo que abre nuevas oportunidades de procesamiento, particularmente con materiales transparentes. En resumen, el desarrollo de láseres de pulso ultracorto ha promovido eficazmente la optimización del proceso de ablación.
