Внутренняя структура импульса

Используя импульсы определенной формы и структуры.

 

Длительность импульса

Лазерный импульс для резки (микроструктурирования) налагает противоречивые условия на длительность лазерных импульсов. Для формирования глубоких отверстий (разрезов) требуется увеличение длительности импульса, так как повышение плотности мощности выше 5∙10⁸ Вт/см² нецелесообразно. Тем не менее, получение глубоких отверстий (разрезов) с помощью только увеличения длительности импульса неизбежно приводит к образованию большого количества расплава, что является неприемлемым для прецизионной обработки. Решение заключается в выборе промежуточной длительности импульса (обычно не более 0,3-0,5 мс) и плотности мощности, которая гарантирует минимальное количество жидкой фазы, в то время как требуемая глубина будет достигнута после нескольких импульсов.

 

Крутизна фронтов импульса

Изучение влияния формы импульса на процесс удаления материала показывает, что не только крутизна переднего и заднего фронта импульса, а также огибающая импульса в целом, играют важную роль в точности обработки. Крутизна переднего края влияет главным образом на время t_V нагрева материала до температуры испарения. Чем меньше крутизна, тем больше t_V и размер зоны теплового воздействия и, следовательно, тем больше диаметр входного конуса. Желательно выбирать импульс с передним краем τ_f не больше, чем ; так при радиусе зоны облучения г₀ = 10,75 и коэффициенте температуропроводности a ≈ 3,45*10^-2 см²/с - τ_f < 0,3 мкс.

Что касается требований к заднему фронту, связанных с физикой прецизионной обработки, становится ясно, что необходимо резко прервать процесс испарения в момент достижения разреза (отверстия) необходимой глубины. Это позволит свести к минимуму образование и перераспределение расплава и снизить вероятность плавления стенок. Таким образом, длительность заднего фронта не должна превышать длительности переднего фронта. Получение лазерных импульсов с необходимыми параметрами осуществляется с помощью либо формирования импульсов в ламповой накачке, либо модуляций излучения.

 

Внутренняя структура импульса

Учитывая влияние внутренней структуры импульса на процесс удаления материала, следует отметить, что режим пичковой генерации лазера особенно подходят для резки (микроструктурирования). Становится возможным в данном случае наиболее эффективно использовать всю энергию импульса для удаления материала при умеренной средней энергии каждого импульса при их высокой мощности и короткой продолжительности (≈ 1 мкс) одного пика, что минимизирует потери на теплопроводность.

Высокой точности обработки легче достичь в случае регулярного пичкового режима генерации, то есть когда все испускаемые пики имеют одинаковую форму, длительность τ₀ и энергию, следуют через равные промежутки времени τ₁ и обладают однородным пространственным распределением интенсивности. В результате, на практике обработка осуществляется импульсами, параметры которых (τ₀, τ₁, q) выбраны так, что каждый импульс испаряет часть материала с минимальным количеством расплава. Это может быть выполнено, если квазистационарное испарение установлено в течение действия каждого импульса. Если, кроме того, в течение интервала времени между пичками испаряемая поверхность остынет по крайней мере до точки кристаллизации, то минимальное количество жидкости будет удалено со дна кратера.

Разработаны многочисленные методы получения импульсов с регулярной временной и пространственной структурой. Регулярные лазерные импульсы наблюдаются в одновременном колебании во многих режимах мод резонатора с сопоставимыми Q-факторами (сферические резонаторы, или линзовые резонаторы, которые затем используются), а также в одномодовом режиме достигается за счет выбора режима. Регулярные структуры импульса также могут быть получены с помощью малой добротности. Для этого вставляется расширитель пучка, а в фокальную плоскость помещается вращающийся диск с щелями шириной не более диаметра фокусного пятна (≈ 100 мкм). Изменяя скорость вращения диска, величину порога генерации и количество щелей, и шаг, можно контролировать количество пиков и скважность, а также мощность импульса. Таким образом, с помощью механического прерывателя в неодимовом стекле лазерного резонатора можно изменять количество пиков от нескольких до 150 в импульсе с длительностью 1,5 мс.