01소개
지난 10년 동안 초고속 펄스 레이저 연구에 상당한 진전이 이루어져 가공 안정성과 유연성이 향상되었습니다. 초고속 펄스 레이저의 처리 품질은 많은 응용 분야의 요구 사항을 충족할 수 있지만 처리에 초고속 펄스(USP) 레이저를 사용하는 경우 산업 응용 시나리오에 대한 생산 효율성이 여전히 부족합니다. USP 처리를 향상시키는 두 가지 방법이 있습니다. 1) 펄스 에너지를 증가시킵니다. 2) 펄스 반복률을 높입니다. USP 레이저를 사용한 재료 가공의 생산 효율성은 다른 기술과 경쟁해야 하므로 연구자들은 레이저 자체를 넘어 레이저 에너지 관리에 엄청난 노력을 기울였습니다. 공작물에서 레이저 빔의 위치, 방향 및 모양을 제어하기 위해 다양한 기계 및 광학 시스템이 사용됩니다.
02진동거울 및 폴리곤 스캐너
레이저 빔의 가장 강력하고 편리하고 빠른 위치 지정은 검류계 스캐너를 사용하여 달성됩니다. 검류계 스캐너는 거의 관성 없이 두 개의 거울을 수직 방향으로 기울입니다. 초점 거리가 160mm인 f-세타 렌즈가 장착된 최신 검류계 스캐너는 100mm x 100mm 시야 내에서 20m/s의 속도로 레이저 빔을 이동할 수 있습니다. 이러한 속도에서는 레이저 펄스를 레이저 빔의 움직임과 동기화하는 것이 어려워집니다. 다각형 스캐너는 이미징 및 바코드 판독에 널리 사용되며 재료 처리 분야에서는 여전히 새로운 기술입니다. 레이저 빔은 100~1000m/s의 속도로 공작물 표면을 가로질러 이동할 수 있습니다. 매우 안정적인 다각형 회전과 USP 레이저 펄스의 동기화는 더욱 어렵습니다. 다각형 스캐너와 단일{13}}축 검류계 스캐너를 결합하여 빠른 2차원 스캐너가 개발되었습니다(그림 1). 전체 레이저 가공 영역에 걸쳐 연속적인 레이저 펄스를 분포시키면 열 축적과 플라즈마 차폐 효과가 분리됩니다.
03 레이저빔 성형
대부분의 레이저는 가우스 빔 프로파일로 빔을 방출합니다. 강도는 빔 중앙에서 높고 가장자리에서 낮습니다. 이러한 공간 에너지 분포는 많은 응용 분야, 특히 박막 처리 분야에서는 유용하지 않습니다. 레이저 빔 성형 및 균질화 기술은 광범위한 레이저 재료 가공 응용 분야에 맞게 형태를 최적화할 수 있습니다. 회절 광학 요소(DOE)는 원형 가우스 빔을 직사각형 상단-빔으로 변환할 수 있습니다. 이 경우 빔 직경의 상당 부분이 강도를 유지하므로 그림 2와 같이 프로세스에 적합한 레이저 빔 모양을 제공합니다.
레이저 빔을 형성하기 위한 유연한 옵션은 전기적으로 전환된 액정을 갖춘 픽셀화된 장치를 기반으로 하는 공간 광 변조기(SLM)를 사용하는 것입니다. 컴퓨터{1}} 생성 홀로그램은 SLM 제어 전자 장치로 전송되어 레이저 빔의 위상 또는 진폭 마스크를 설정합니다. SLM은 펨토초 레이저와 함께 병렬 처리를 위한 다중 회절 빔을 생성하여 실리콘 및 티타늄 합금의 고정밀 미세 구조화 처리량을 10배 이상 크게 늘립니다.-
그림 2. FBS와 구면 렌즈(오른쪽)를 사용하여 형성된 정사각형 상단 레이저 빔의 강도 분포를 CCD 카메라를 사용하여 측정했습니다. 입력 빔 프로파일은 왼쪽에 표시됩니다. 평균 레이저 출력은 12W입니다.
04 멀티{1}}빔 시스템
MHz 범위의 높은 펄스 반복률을 갖춘 고출력 USP 레이저를 사용하면 과열 및 용융물 형성과 같은 열 충격 영역 문제가 발생하여 절제 품질이 저하될 수 있습니다. 높은 절제 품질을 달성하려면 모든 프로세스 매개변수를 세심하게 일치시켜야 하지만 고급 검류계 또는 다각형 스캐너의 높은 빔 편향 속도가 항상 정밀한 미세 가공 솔루션을 제공하는 것은 아닙니다.{1}} 이 경우 다중 레이저 빔은 회절 1×5 및 5×5 빔 배열을 형성하기 위해 Dammann 격자로 생성된 격자를 사용하여 병렬 처리의 결과를 보여주는 그림 3과 같이 다목적 고출력 절제 솔루션을 제공합니다.
그림 3. (a) G1=0 및 G2=125일 때 레이저 프로파일로미터(Spiricon)는 1 × 5(왼쪽) 및 5 × 5(오른쪽) 배열을 관찰했습니다. (b) 1 × 5(왼쪽) 및 5 × 5(오른쪽) Dammann 격자(G1=0, G2=125)를 적용하여 연마된 Ti64 샘플에 막힌 구멍을 처리했습니다.
05 요약
극초단 펄스 레이저는 피코초에서 펨토초까지의 펄스 지속 시간을 갖는 간섭성 광 펄스를 생성하며 정밀 레이저 마이크로{0}}가공 분야에서 점차 대중화되고 있습니다. 열 영향 영역을 억제하는 우수한 예측 레이저 제거뿐만 아니라 재료와의 향상된 비선형 상호 작용, 특히 투명 재료의 경우 새로운 가공 기회를 열어주는 이점도 있습니다. 요약하면, 극초단 펄스 레이저의 개발은 절제 공정의 최적화를 효과적으로 촉진했습니다.
