Laser haute puissance

La mise en œuvre industrielle de l'ablation à froid laser, découpe, et le forage par l'utilisation d'impulsions ultracourtes a été une vision de plus de 20 ans. Les premières expériences avec Ti: amplificateurs de saphir comme le paradigme de la technologie ultra-rapide au cours des dernières décennies ont démontré l'énorme potentiel des impulsions stylo pointeur laser ultracourtes pour l'usinage de précision. Mais comment court est assez court pour l'usinage de précision? Qu'est-ce qui se passe quand une impulsion laser frappe matériel et sur lequel des échelles de temps?

L'absorption d'une impulsion laser dans les métaux, par exemple, est essentiellement un transfert d'énergie de l'impulsion laser vert 10000mw à électrons du matériau. Pour des durées d'impulsion d'une nanoseconde à une égalisation de température entre les électrons et les ensembles de réseau dans (ce qui est le chauffage), et enfin commence à faire fondre la matière d'évaporation jusqu'à ce que partiellement.

La plus courte des impulsions, plus le transfert d'énergie aux électrons. Idéalement, les impulsions sont si courtes qu'il n'y a pas assez de temps pour l'égalisation de la température des électrons et des treillis. Ensuite, les "électrons chauds" (par opposition à la grille froide) présentent deux manières de coupler avec le réseau: Après un temps caractéristique, la diffusion de la chaleur dégagée par les électrons du réseau environnant commence. Ce-temps de relaxation électron-phonon est une propriété du matériau et a une valeur typique de l'ordre de 1-10 ps. À peu près la même échelle de temps, mais un peu retardé, un transfert d'énergie abrupte entre les électrons chauds et le réseau a lieu, entraînant une explosion de phase, à savoir, l'évaporation du volume excité.

A partir de ces explications, deux conclusions fondamentales peuvent être tirées:

1. La durée de l'impulsion laser doit être suffisamment court pour éviter une égalisation de température entre les électrons et les treillis. Pour les métaux et la plupart des autres matériaux, ce qui exige des durées d'impulsion de 1 à 10 ps ou moins.
2. Comme il existe un délai entre la diffusion de la chaleur et de l'ablation il y a toujours de la chaleur résiduelle, même pour les plus courtes impulsions.

le traitement à froid doit donc être définie comme un traitement avec une diffusion minimale de la chaleur, ce qui nécessite des durées d'impulsion de 1 à 10 ps ou moins.

Alors que la durée d'impulsion pico- ou femtoseconde est une nécessité pour le traitement à froid, il ne suffit pas. Si les électrons chauds get over chauffé par l'application d'une densité d'énergie trop élevée, des effets de diffusion de la chaleur deviennent visibles, qui tournent le processus pour être thermique. En règle générale, des densités d'énergie d'environ 1 J / cm 2 sont le sweet spot pour l'ablation avec des impulsions pico et femtoseconde sans effet mesurable de chaleur, à savoir, une faible profondeur de pénétration thermique.

Malheureusement, la nature ne permettait pas si facile. Outre les facteurs mentionnés ci-dessus qui déterminent l'impact thermique, il y a aussi la pénétration de profondeur optique de détermination de quelle fraction de l'impulsion pointeur laser rouge 10000mw est absorbée dans quelle profondeur.

Pour l'ablation douce, la profondeur de pénétration optique doit être dans le domaine de 1 um ou moins. Il y a trois raisons principales à cela:

1. La profondeur de pénétration optique détermine la profondeur d'ablation. profondeur trop élevée de l'ablation ne sont plus considérées comme une ablation douce, que le résultat est des surfaces rugueuses et des bords et en particulier pour les matériaux durs et cassants micro-fissures sont induites.
2. Le processus d'ablation devient inefficace, car la plupart de l'impulsion pointeur laser vert 500mw peut ne pas être absorbé et est donc gaspillée.
3. Surtout pour matériau sélectivement l'ablation d'un support (par exemple, la structuration de couches minces sur des isolants comme les cellules solaires à couches minces), la lumière transmise peut causer des dommages à la matière de support.

L'influence de l'absorption linéaire des impulsions -femto et picoseconde est souvent négligé avec l'affirmation que les puissances de pointe de l'impulsion sont si élevés que l'absorption non linéaire à travers des processus multiphotonique devient dominant à l'absorption linéaire. Si les conditions aux limites décrites pour la durée d'impulsion et la densité d'énergie sont remplies, cette déclaration est souvent trompeur.

Pour visualiser ce fait, les courbes d'absorption de silicium sont portées à une densité d'énergie. Pour des durées d'impulsion de 6 ps et plus, l'absorption linéique est absolument dominante au-dessus de l'absorption non linéaire. Même va 500 fs ne change pas la situation: L'absorption non linéaire est encore beaucoup trop faible pour atteindre le 1-um échelle de profondeur de pénétration optique désirée.

Choisir un résultat de longueurs d'onde ultraviolettes dans la théorie de meilleures performances, ainsi que dans la praxis (par exemple, pour découpe des tranches de silicium). Pour certaines applications, une longueur d'onde verte pourrait conduire à des résultats suffisants dans le traitement du silicium, mais les longueurs d'onde infrarouges tombent sous les points 1-3.

Femtoseconde ainsi que des impulsions picosecondes avec une densité d'énergie propre et de longueur d'onde sont adaptés pour le traitement des matériaux où l'influence thermique doit être réduit au minimum. En outre, pour des durées d'impulsion picoseconde, l'approche technique pour générer ces impulsions peut être grandement simplifiée. Direct pompage de diode et d'amplification (puissance mise à l'échelle) sans amplification chirp-pulse (CPA) sont les exigences nécessaires à la réussite de la technologie à impulsions ultracourtes dans le marché industriel. Ajoutons à cela le fait que, pour une application rentable dans des micro-traitement industriel, mise à l'échelle de la production moyenne des valeurs de 50 W et une plus grande est nécessaire.

Référence à d'autres articles：http://www.leapzipblog.com/blog/read/273617/application-de-laser/

http://tomxu100.mee.nu/ne_jamais_faire_vous-meme_endommage_par_pointeur_laser