Методы сканирования поверхности сфокусированным пучком

Оптические схемы лазерной

Обработки

 

Влазерных технологиях инструментом воздействия на обрабатывае­мый материал является пучок лазерного излучения. Кроме энергетических характеристик пучка, рассмотренных в предыдущем разделе, существен­ную роль играют его пространственные параметры, такие как размер иформа зоны воздействия. Эти характеристики определяются выбранной оптической или оптико-механической схемой обработки, основное назна­чение которой состоит в концентрации энергии и в обеспечении заданного поля воздействия и формы облученной зоны внутри него.

В настоящем разделе рассмотрены методы формирования облученной зоны заданных размеров и формы при последовательном обходе лазерным пучком или при ее одновременном облучении методом оптической проек­ции. Концентрация энергии осуществляется либо путем фокусировки ла­зерного пучка, либо за счет его оптической проекции в соответствующем масштабе. Основными методами формирования облученной зоны являются:

1) методы сканирования поверхности сфокусированным пучком;

2) проекционные методы.

 

Методы сканирования поверхности сфокусированным пучком

При использовании этих методов изображение синтезируется в ре­зультате последовательного облучения заданного топологического рисунка сфокусированным пучком излучения. Обход контура на обрабатываемой поверхности осуществляется путем относительного перемещения пучка излучения и объекта обработки.

Фокусировка лазерного пучка зависит от поперечного распределения интенсивности в нем. Последнее определяется модовой структурой пучка. Для наиболее часто встречающихся в лазерных технологиях случаев мож­но ограничиться двумя моделями лазеров: одномодовой, хорошо известной из литературы [1], и телецентрической для многомодовых лазеров.

Последняя модель особенно важна, поэтому кратко опишем ее: счита­ется, что все точки выходного сечения лазера являются источниками оди­наковых конических пучков лучей, оси которых параллельны оптической оси лазера, а углы конусов равны полному углу расходимости излучения лазера (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Телецентрическая модель лазера совместно с оптической системой

 

Относительное перемещение пучка излучения и обрабатываемого из­делия может быть обеспечено разными способами (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Способы относительного перемещения пучка излучения и обрабатываемого изделия

 

а). Перемещение детали в плоскости и обработки (фокальной плоскости оптической системы). Деталь при этом располагается на координатном столе (рис. 2.2. а), на валу (при производстве гибких печатных форм. рис. 2.2. б) и т.п.

б). Перемещение оптической системы в заданной плоскости — так на­зываемые плоттерные системы или системы с «летающей» оптикой (рис. 2.2. в) — или по заданной траектории в пространстве, когда излучение к оптической системе, управляемой роботом, подается с помощью оптиче­ского кабеля (рис. 2.2. г).

Особенностью систем (а. б. в. г) на больших скоростях движения яв­ляется проблема обеспечения постоянной плотности мощности излучения на поверхности детали при изменении скорости движения.

в). Отклонение пучка лазерного излучения, например, с использова­нием сканера, содержащего два качающихся зеркала с магнитоэлектриче­ским приводом (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Изменение размера облученной области при сканировании пучка

 

Как видно из рис. 2.3. размер облученной зоны d зависит от ее расположения относительно центра рабочего поля у. Увели­чение размера облученной зоны при отклонении пучка происходит по двум причинам: вследствие дефокусировки пучка и вследствие наклонного падения пучка на обрабатываемую поверхность. Допустимое изменение размера облученной зоны определяет размеры рабочей области.

Основным достоинством методов сканирования сфокусированным пучком является возможность концентрации всей энергии излучения лазе­ра на площадке минимальных размеров и относительная простота форми­рования сложного топологического рисунка. К недостаткам метода отно­сятся невысокая точность, связанная с неравномерностью распределения энергии в фокальной плоскости и с изменением размеров облученной зоны в процессе сканирования, а также необходимость использования сложных систем управления и перемещения пучка (или объекта).

Проекционные методы

Сущность проекционных методов заключается в формировании изо­бражения в целом, его части или образующего элемента путем проециро­вания пучком лазерного излучения изображения маски на обрабатываемую поверхность с заданным масштабом уменьшения.

Схема микропроекционного метода представлена на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Схема микропроекционного метода

 

Пучок излучения лазера 1 расширяется с помощью осветительной оптической системы 2 до размера маски-трафарета 3. уменьшенное изображение кото­рого строится с помощью проекционного объектива 4 на поверхности об­рабатываемого материала 5.

Методика расчета микропроекционной схемы следующая. В качестве исходных данных, как правило, задаются: d_обр — размер поперечного сече­ния образца, d_обрО — размер минимального элемента изображения на об­разце, d_л — размер поперечного сечения пучка на выходной апертуре лазе­ра, d_мо — минимальный размер щели в маске (обычно задается нижняя граница d_мо). Увеличение проекционной оптической системы определяется как

(2.1)

При этом минимальный масштаб проекции, соответствующий , можно определить из условия обеспечения требуемой плотности энергии на образце , при отсутствии разрушения маски:

(2-2)

где — пороговая плотность энергии разрушения маски.

Максимальный масштаб проекционной системы ограничен дифракци­онными явлениями на апертуре проекционной системы и на маске.

Рабочее увеличение проекционной системы β_пр должно лежать в ин­тервале . Полный размер маски составляет

Увеличение осветительной системы определяется как

(2.3)

При этом максимальное увеличение осветительной системы опреде­ляется условием обеспечения сохранности маски при известной плотности энергии на выходе лазера

Выбирая объектив и осветительную систему с известными фокусными расстояниями, находим значения , определяющие габаритные размеры системы, из формул:

(2.4)

(2.5)

В отдельных случаях могут быть использованы упрощенные варианты оптической схемы. Если , осветительная система может отсутствовать. Если не требуется уменьшение размеров маски и может отсутствовать проекционная схема. В последнем случае проекцион­ный метод сводится к контактному.

Особенностью микропроекционного способа формирования изобра­жения является то, что требования максимального поля обработки и высо­кой разрешающей способности находятся в противоречии: чем выше разрешающая способность изображения, тем меньше площадь одно­временно облучаемой поверхности.

Основными достоинствами проекционных методов обработки мате­риалов являются возможность получения изображения сложной конфигу­рации и высокая разрешающая способность. Недостатками проекционных методов, ограничивающими их применение, являются потери энергии на маске и жесткие требования к равномерности освещения всего поля маски.

При отсутствии проекционной системы для получения изображения маски она должна быть вплотную прижата к обрабатываемой поверхности, и проекционный метод переходит в контактный. Недостатками контактно­го метода являются быстрый износ трафарета и механические поврежде­ния образца, а также дифракционные искажения изображения при неплотном прижатии и невысокая разрешающая способность (несколько микрон).