Laserinterferenzverarbeitung aus China Harsle

Laser- und Materialaspekte

Wie bereits erwähnt, werden die Interferenzmuster aus den kohärenten Strahlen erhalten. Inkohärente Strahlen würden sich nicht stören, um dunkle und helle Ränder zu produzieren (aufgrund der Intensitätsmodulation in der resultierenden Welle). Sowohl die zeitliche als auch die räumliche Kohärenz der Strahlen müssen erhalten werden, um das Interferenzmuster zu realisieren. Die räumliche Kohärenz hängt mit der Korrelation zwischen zwei Punkten an derselben Wellenfront zusammen, während die zeitliche Kohärenz mit der Korrelation ähnlicher Punkte an verschiedenen Wellenfronten zusammenhängt. Die räumliche Kohärenz von Strahlen wird stark durch das Vorhandensein einer Reihe von Längsmodi im Laserausgang beeinflusst (Engleman et al. 2005). Im Allgemeinen tritt der Kohärenzverlust mit zunehmender Anzahl von Längsmodi auf. Abbildung 11.3 zeigt den Einfluss einer Reihe von Längsmodi auf die Sichtbarkeit der Fransen im interferometrischen Experiment. Wie in der Abbildung angegeben, nimmt die Sichtbarkeit der Ränder mit dem Pfadunterschied für den Multimode -Betrieb des Lasers ab. Somit ist bei Multimode -Operationen der zulässige Pfadunterschied begrenzt (Ready 1997). Die temporale Kohärenz hängt mit der Spektralbandbreite der Quelle zusammen. Schmalere Bänder führen zu einer längeren Kohärenzzeit. Kohärenzzeit (? T) wird als gegenseitiger Linienbreite ausgedrückt. Die Kohärenzlänge (? X) wird dann durch das Produkt der Wellengeschwindigkeit (c) und der Kohärenzzeit (? T) angegeben. Die Kohärenzlänge wird erneut durch die Anzahl der Betriebsmodi beeinflusst. Beispielsweise liegt die typische Kohärenzlänge des Multimode -He -Ne -Lasers im Bereich von 20 cm, während die typische Kohärenzlänge des Einzelmodus -Lasers im Bereich von 100.000 cm liegt (Ready 1997).

Die Art der Laserquelle bestimmt das auf der Materialoberfläche erzeugte Interferenzmuster. Die wichtigsten Laserparameter sind die Laserwellenlänge und die

Abb. 11.3 Variation der Sichtbarkeit von Fransen mit Pfaddifferenz für einen Laser, der mit N -Longitudinal -Modi in einem arbeitet

InterferometrischExperiment. (Nachdruck von Ready 1997. Mit Genehmigung. Copyright Elsevier.)

Abb. 11.4 Variation des theoretischen Randabstands mit Winkel zwischen den störenden Strahlen für einige gemeinsame Wellenlängen der verwendeten Laser

in der Materialverarbeitung. (Nachdruck von Engleman et al. 2005. Mit Genehmigung. Urheberrecht Die Mineralien, Metalle und Materialien.)

Winkel zwischen den störenden Strahlen. Diese Parameter bestimmen den Randabstand gemäß Gl. (11.2). Abbildung 11.4 zeigt die theoretische Variation des Randabstands mit Interferenzwinkel für einige häufige Wellenlängen, die bei der Verarbeitung von Lasermaterialien verwendet werden. Die Abbildung zeigt an, dass für eine gegebene Wellenlänge des Lasers der kürzere Randabstand erzeugt wird, wobei die Strahlen in einem großen Winkel stören. Die Abbildung zeigt auch, dass kürzere Wellenlängen (266, 355, 532 und 1.064 nm) einen Randabstand erzeugen, der proportional kleiner ist Die physikalische Untergrenze des Randabstands gemäß Gl. (11.2) ist die Hälfte der Wellenlänge des Lasers. Der Randabstand beeinflusst die räumliche Auflösung der Merkmale auf der Oberfläche des Materials durch die Kombination von Effekten wie physikalischen, chemischen und metallurgischen Wirkungen erheblich (Engleman et al. 2005). Zusätzlich zur Wellenlänge und des Winkels zwischen den störenden Strahlen ist der andere wichtige Laserparameter die Laserfluenz (Energiedichte). Die Laserfluenz wird durch die Laserleistung, die bestrahlte Oberfläche und die Bestrahlungszeit bestimmt. Laserfluenz zusammen mit den thermophysikalischen Eigenschaften von Materialien bestimmt die Temperaturverteilung in den Materialien. Die Temperaturverteilungen in den Materialien während der Laseroberflächenverarbeitung werden im Allgemeinen durch die Lösung der Fourier -Gleichung der Wärmeübertragung erhalten.

Wobei t = t (x, z, t) die Temperatur an Position (x, z) zum Zeitpunkt t ist; R, K und CP sind die Dichte, die thermische Leitfähigkeit und die spezifische Wärme des Materials;sind die absorbierte Wärme, die Schmelzenhitze und die Hitze vonVerdampfung. Die vom Material absorbierte Wärmemenge hängt von der Absorptionsvermögen des Materials ab, die durch verschiedene Material- und oberflächenbezogene Faktoren wie Oberflächenrauheit, Oberflächenkontamination, Neigungswinkel usw. bestimmt wird. Die Lösung der Wärmeübertragungsgleichung ergibt die Temperaturverteilung als Funktion von Laserparametern und Materialeigenschaften. Für einen vereinfachten Fall einer Oneedimensionalleitung ohne Konvektions- und Strahlungseffekte kann die Lösung der Wärmeübertragungsgleichung neu angeordnet werden, um die Energie zu schätzen, die für die Erzeugung eines einzelnen Randes einer bestimmten Oberflächenmerkmalgröße erforderlich ist.

Der durch Schmelzen, Ablation usw. modifizierte Bereich der Oberfläche bestimmt die Merkmalsgröße (d), die auf der Oberfläche erzeugt werden kann. Um das gut definierte unterscheidbare periodische Muster zu erhalten, muss die Merkmalsgröße gleich oder kleiner als der Randabstand (D) sein. Mit zunehmender Leitfähigkeit des Materials wird die Wärme schnell abgelöst, wodurch der durch Interferenzmuster modifizierte Bereich erhöht wird. Bei Material mit niedrigem Leitfähigkeit sind die thermischen Effekte aufgrund der modulierten Intensität auf sehr enge Regionen begrenzt, die zu Merkmalsgrößen sind, die kleiner als der Randabstand sind (Abb. 11.5). Mit zunehmender Leitfähigkeit des Materials nähert sich die Merkmalsgröße dem Randabstand. Abbildung 11.5 zeigt auch den Effekt der Erhöhung des Interferenzwinkels auf den Randabstand an. Basierend auf der in Abschnitt 11.2 diskutierten Wärmeübertragungsanalyse liefert Tabelle 11.1 die berechnete Menge an Energien, die zur Herstellung von Oberflächenmerkmalen, die den Störungsabständen für eine Vielzahl von Materialien entsprechen, für eine Vielzahl von Materialien, die mit einigen häufigen Laserquellen bestrahlt werden, benötigt. Die Tabelle enthält somit die Richtlinien für die Auswahl geeigneter Laserverarbeitungsparameter, um die gewünschten geometrischen Strukturen in einem gegebenen Material durch Bestrahlung mit Laser -Interferenzmuster zu erreichen (Engleman et al. 2005).

Interferometer -Designaspekte

Typische Interferometer -Konstruktionen bestehen im Allgemeinen aus einem Strahl -Erweiterungs -Teleskop (BET), Interferometeroptik (Strahlteiler und einer Reihe von Spiegeln) und Fokussierungsoptik. BET bestimmt die Größe des Strahls durch das Interferometer und bestimmt somit die Energiefluenz an der Probenoberfläche. Ein Laserstrahl wird dann durch einen Strahlsplitter in mehrere Strahlen unterteilt, die anschließend auf der Probenoberfläche überlagert werden

Abb. 11.5 Effekt des Winkels zwischen den Strahlen und der Leitfähigkeit des Materials auf den Interferenzabstand (D) und der Merkmalsgröße (D)

auf der Oberfläche erhalten.(Nachgedruckt von Englemanet al. 2005. Mit Erlaubnis. Urheberrecht die Mineralien,Metalle und Materialien Gesellschaft.)

WSING einen Set von Spiegeln. Der Kontrast zwischen den hellen und dunklen Rändern im Interferenzmuster wird durch die Intensitätsverteilung in der resultierenden Welle bestimmt. Der optische Pfadunterschied zwischen den störenden Wellen wird durch die Differenz der Länge der Interferometerarme bestimmt. Der optische Pfadunterschied muss geringer sein als die Kohärenzlänge, um die zeitliche Kohärenz aufrechtzuerhalten. Der optische Pfadunterschied bestimmt auch, wie gut das Muster definiert ist. Wenn ein Arm des Interferometers kürzer als der andere ist, kommt der Strahl vom kürzeren Arm zuerst auf die Probenoberfläche ein und stellt so die Oberflächenmodifikationen an der Probenoberfläche ein. Für einen solchen Fall nimmt die Interaktionszeit zwischen den Strahlen ab. Das Interferometerdesign sollte ausreichend flexibel sein, um die Einstellung eines Winkels zwischen den störenden Strahlen mit einer geringen Einstellung des Inzidenzwinkels und der Bewegung von Spiegeln zu ermöglichen (Engleman et al. 2005). Wie bereits beschrieben, wird für eine gegebene Wellenlänge des Laserstrahls der Abstand der Intensitätsverteilung durch den Winkel zwischen den störenden Strahlen bestimmt. Je kleiner der Winkel zwischen den störenden Strahlen ist, desto größer ist der Abstand im Muster. Somit wird die Obergrenze des Abstands durch den kleinsten erreichbaren Winkel mit der Interferometeroptik bestimmt. Für einen größeren Abstand könnten spezielle rahmenlose optische Elemente ausgelegt werden, um den kleineren Interferenzwinkel zu ermöglichen (Daniel 2006). Außerdem kann eine Reihe von Fokussierungsoptiken eingebaut werden, um die Energiefluenz an der bildgebenden Oberfläche der Probe anzupassen.