Лазерный мир

Обработка лазерных материалов

            Абляция расплавленного кварца и других материалов из стекла может быть достигнута с использованием CO2 или сверхбыстрых лазеров. Однако низкая пиковая мощность типичных CO2-лазеров с модуляцией дбротности (Q-switched) (<50 Вт) ранее ограничивала скорости абляции, позволяя только незначительную коррекцию формы и поверхностную обработку оптических материалов. Но более мощный Q-switched CO2-лазерный процесс, разработанный исследователями в Институте лазерной технологии Fraunhofer (Fraunhofer ILT, Aachen, Germany), меняет эту картину, позволяя превращать массив из  стекла в сложные и даже произвольные формы  результате трехступенчатого процесса абляции, поверхностной полировки и окончательно-селективной лазерной коррекции формы.

            Импульсный и мощный.

            По сравнению с обычными CO2-лазерами Fraunhofer ILT использует среднюю мощность 200 Вт, пиковую мощность 40 кВт, M2 = 1.33, Q-switched импульсный CO2-лазер с импульсной модуляцией с длительностью импульса ≥250 нс и максимальную частоту повторения 150 кГц. Из-за использования двух акустооптических модуляторов лазерное излучение может поставляться в двух режимах: импульс Q-switched (режим 1) для абляции и модулированный импульс (режим 2) для окончательной коррекции поверхности (см. Рисунок).

 Различные режимы импульсов CO2-лазера (Q-switched  импульсы  и модулированные лазерные импульсы) позволяют выполнять различные функции для отделки материалов из оптического стекла, от абляции до  корректирующей поверхность полировки  (а). Секрет представляет собой тщательно разработанную схему сканирования и оптимизированные параметры лазера (b), позволяя лазеру создавать сложные структуры свободной формы, такие как сотовый элемент стекла (c). (Предоставлено Fraunhofer ILT)

            Из-за использования двух акустооптических модуляторов лазерное излучение может поставляться в двух режимах: импульс Q-switched (режим 1) для абляции и модулированный импульс (режим 2) для окончательной коррекции поверхности.

            Используя стратегию сканирования, обеспечивающую импульсную мощность Pavg с длительностью tpulse и частотой повторения с диаметром ds фокуса на объемном стеклянном материале со скоростью vs и расстоянием dx импульса, достигается глубина аблации zab с использованием режима 1. Экспериментальные расчеты показывают скорость изъятия материала 2,35 мм3 / с, что позволяет изготавливать неровную стеклянную оптику, такую как сотовая структура (для снижения веса) на плавленом кварце или даже в свободной форме. Измерения интерферометрии белого света первоначально абляционных оптических поверхностях позволяют оптимизировать скорости повторения и значения мощности лазера для максимального уровня удаления материала.

            Высокая шероховатость после процесса абляции уменьшается на второй стадии процесса обработки лазерным излучением. Используя непрерывное излучение  СО2-лазера, поверхность сглаживается процессом переплавки, а микроструктура может быть уменьшена до <0,1 нм (см. Http://dx.doi.org/10.2351/1.4974905).

            Для уменьшения остаточной волнистости необходим третий процесс коррекции полировки с использованием прямоугольных импульсов и уровней мощности  50 Вт. Этот процесс ограничивает абляцию снижением скорости удаления материала, что позволяет выборочно доводить стеклянную поверхность на заключительном этапе коррекции ошибок, называемом Laser Beam Figuring. Контролируя длительность импульса каждого лазерного импульса, стеклянный материал можно выборочно удалять с глубиной абляции до 3 нм. Пространственное  разрешение процесса абляции составляет 100 мкм, а вертикальное разрешение составляет приблизительно 3 нм.

«Технологическая цепочка на основе лазера позволяет изготавливать комплексную оптику из плавленого кварца с одним только лазерным источником», — говорит Кристиан Вайнгартен из Fraunhofer ILT. «Качество поверхности изготовленной оптики уже достаточно для  оптики подсветки, но с развитием лазерного метода коррекции полировки в будущем мы изготовим еще более качественную оптику подсветки». — Гейл Овертон.

Laser focus world, June 2017, Vol. 53, NO. 6, p. 28