Формирование лазерного луча со сверхкороткими импульсами USP повышает эффективность процесса и оптимизирует технологию микросверления.

Лазерное микросверление является одним из наиболее часто используемых промышленных применений. Различные типы разработанных лазерных источников позволяют обрабатывать широкий спектр материалов: металлы, керамику, полупроводники, полимеры, органические материалы и т.д., с беспрецедентной воспроизводимостью, точностью и скоростью.

Микросверление применяется во многих отраслях промышленности, таких как: автомобильная, аэрокосмическая и электроника, в лазерной хирургии и в пищевой промышленности.

Например, способность этого процесса сверлить вплоть до масштаба микронов, недавно привела к созданию новых конструкций сопла для впрыска топлива в автомобильной промышленности. Повышение эффективности использования топлива в двигателе достигает 30 %.

Сверление маленьких отверстий, увеличение скорости сверления, повышение точности и качества отверстий, сокращение потребления энергии - привели к росту объёмов производства и качества в промышленных применениях. Это, в соответствии с новыми, конкретными потребностями, соответственно, приводит к планомерному развитию новой лазерной техники.

Одним из последних крупных нововведений является использование лазеров со сверхкороткими / сверхбыстрыми импульсами (USP / UFP) в микрообработке инструментов.

Лазеры со сверхкороткими импульсами дают короткие и интенсивные импульсы света - до ста тысяч импульсов в секунду и более. Уникальной особенностью этих лазеров является то, что они концентрируют световую интенсивность импульсов в чрезвычайно короткий период времени — от пикосекунд (10-12 s) до нескольких десятков фемтосекунд (10-15 сек). Каждый импульс несёт определенное количество энергии, но он позволяет достичь значительной пиковой мощности (до нескольких ТВТ). В случае USP лазеров импульсы настолько короткие и мощные, что они вызывают мгновенное удаление облучённого материала.

Сверхкороткие импульсы этих лазеров вызывают ионизацию вещества без тепловых эффектов, в отличие от обычных лазеров, от которых вместо удаления материала, поглощается тепловая энергия. Этот эффект известен как холодная абляция, позволяющая выполнять сверление с минимальными внутренними напряжениями, без образования трещин, заусенцев и других дефектов, которые образуются при традиционных технологиях сверления за счёт абсорбции тепла. USP лазеры позволяют быстро выполнять нескольких тысяч отверстий в секунду, с диаметром в несколько микрон - меньше, чем позволяет получать любой другой процесс, см.рис.

Кроме того, этот процесс практически не требует последующей финишной обработки отверстий.

Высокоскоростные USP лазеры компактны и экономичны и обеспечивают высокую производительность при очень высоком качестве обработки. Однако чтобы действительно увеличить эффективность и качество, процесса, необходимо применять лазерный луч, адаптированный для данного применения. Лазерный луч, естественно, имеет неоднородное распределение энергии, которое приводит к ненужным энергетическим потерям, неточности и нарушениям процесса сверления. Тип материала, параметры отверстия, качество сверления и темпы производства являются факторами, которые следует принимать во внимание и которые требуют оптимизации параметров и интенсивности лазерных импульсов.

В зависимости от требований конкретного применения, появляется необходимость концентрировать энергию лазера равномерно, создавая форму пучка определенного профиля, или даже генерировать несколько пучков для создания несколько областей одновременно и, соответственно, для увеличения производительности процесса. Например, на рис.3а показана форма распределения интенсивности луча, часто используемая (профиль flat-top), которая делает возможным получать фокальное пятно лазера с равномерной интенсивностью.

Другой, часто используемой формой является Луч Бесселя (Bessel beam), которая позволяет распространяемой энергии интенсивно сосредотачиваться в зоне небольшой, но вытянутой на большие расстояния (см.рис.3b). Поэтому, этот метод особенно полезен при сверлении отверстий малого диаметра, в несколько микрон, с высоким соотношением сторон (с соотношении глубины и диаметра больше, чем 10:1).

Эта форма особенно часто используется для обработки прозрачных материалов, таких как стекло или Сапфир. Для более конкретных применений может потребоваться конкретная геометрия, например, при обработке фотонных кристаллов или электронных микрокомпонентов, с использованием масок в литографии.

Multi-Plane Light Conversion (MPLC) технология обеспечивает большую свободу в формировании лазерного луча, с высоким КПД (> 95%). Разработанная CAILabs с 2013 года технология MPLC достигает рекордных результатов в формировании луча по глубине резкости и эффективности использования энергии. Это позволяет создавать стандартные формы луча и фокального пятна для лазерной промышленности, такие как flat-top и Bessel beam. Могут создаваться и др. варианты для других конкретных применений, независимо от длины волны. Кроме того, предлагаются новые функции, такие как комбинированное формирование нескольких лучей для создания более сложных фигур распределения плотности мощности лазерного излучения.

Постоянная эволюция USP лазерных источников, особенно в том, что касается мощности, эффективности и стоимости, расширяет области применения USP-микросверления.

Этот метод всё чаще используется в широком масштабе, в производстве артериальных стентов и OLED панелей с большой производительностью. Формирование лазерного луча повышает эффективность процесса и оптимизирует технологию микросверления, обеспечивает высокие темпы производства при оптимальном качестве обработки.

Примечание редактора: решением международного редакционно-консультативного Совета, на основе консенсуса, было решено использовать термин «ultrashort-pulse (USP) lasers» (лазеры сверхкоротких импульсов (USP)) для лазерной обработки промышленных материалов с пико- и фемтосекундными импульсами. Но можно довольно часто увидеть и термин «ultrafast-pulse (UFP) lasers» (лазеры со сверхбыстрым импульсом (UFP)), используемый специалистами в некоторых регионах.

SAMI LAROUI является инженером в CAILabs, Rennes, France, www.cailabs.com . Он занимается развитием и коммерциализацией инновационных оптических решений, которые оптимизируют качество и производительность лазерной обработки процессов.

Фото - Отверстие головки впрыска топлива, выполненное фемтосекундными лазерными импульсами. Фото: TRUMPF.

Источник: Laser beam shaping for innovative applications / SAMI LAROUI // Industrial Laser Solutions, MARCH / APRIL 2019, p.22-23; www.industrial-lasers.com.