Elaborazione delle interferenze laser da Cina Marslo

Aspetti laser e materiali

Come accennato in precedenza, i modelli di interferenza sono ottenuti dai raggi che sono coerenti. Le travi incoerenti non interferiscono per produrre frange scure e luminose (a causa della modulazione di intensità nell'onda risultante). Devono essere conservate sia la coerenza temporale che quella spaziale dei raggi per realizzare il modello di interferenza. La coerenza spaziale è correlata alla correlazione tra due punti sullo stesso fronte d'onda, mentre la coerenza temporale è correlata alla correlazione di punti simili su diversi fronti d'onda. La coerenza spaziale dei raggi è fortemente influenzata dalla presenza di una serie di modalità longitudinali nell'output laser (Engleman et al. 2005). Generalmente, la perdita di coerenza si verifica con il numero crescente di modalità longitudinali. La Figura 11.3 presenta l'influenza di una serie di modalità longitudinali sulla visibilità delle frange nell'esperimento interferometrico. Come indicato nella figura, la visibilità delle frange diminuisce con la differenza di percorso per il funzionamento multimodale del laser. Pertanto, nelle operazioni multimodali la differenza di percorso ammissibile è limitata (Ready 1997). La coerenza temporale è correlata alla larghezza di banda spettrale della fonte. Le bande più strette comportano un tempo di coerenza più lungo. Il tempo di coerenza (? T) è espresso come reciproco della larghezza della linea. La lunghezza di coerenza (? X) viene quindi data dal prodotto della velocità delle onde (c) e dal tempo di coerenza (? T). La lunghezza della coerenza è nuovamente influenzata dal numero di modalità operative. Ad esempio, la lunghezza tipica della coerenza del laser HE - Ne multimodale è nell'intervallo di 20 cm, mentre la lunghezza tipica della coerenza del laser HE - NE in modalità singola è nell'intervallo di 100.000 cm (Ready 1997).

Il tipo di sorgente laser determina il modello di interferenza prodotto sulla superficie del materiale. I parametri laser più importanti sono la lunghezza d'onda laser e

Fig. 11.3 Variazione della visibilità marginale con la differenza di percorso per un laser che opera con n modalità longitudinali in un

interferometricosperimentare. (Ristampato da Ready 1997. con il permesso. Copyright Elsevier.)

Fig. 11.4 Variazione della spaziatura teorica della frangia con angolo tra le travi interferenti per alcune lunghezze d'onda comuni dei laser utilizzati

nella lavorazione dei materiali. (Ristampato da Engleman et al. 2005. Con il permesso. Copyright the Minerals, Metals and Materials Society.)

Angolo tra i raggi interferenti. Questi parametri determinano la spaziatura della frangia in base all'Eq. (11.2). La Figura 11.4 presenta la variazione teorica della spaziatura della frangia con angolo di interferenza per alcune lunghezze d'onda comuni impiegate nella lavorazione dei materiali laser. La figura indica che per una data lunghezza d'onda del laser, viene prodotta una spaziatura della frangia più corta con i raggi che interferiscono ad angolo grande. La figura indica anche che lunghezze d'onda più brevi (266, 355, 532 e 1,064 nm) producono una spaziatura marginale che è proporzionalmente più piccola di quella prodotta da laser di lunghezza d'onda più lunga (10,6? M). Il limite inferiore fisico della spaziatura della frangia secondo l'Eq. (11.2) è metà della lunghezza d'onda del laser. La spaziatura della frangia influenza notevolmente la risoluzione spaziale delle caratteristiche sulla superficie del materiale attraverso la combinazione di effetti come effetti fisici, chimici e metallurgici (Engleman et al. 2005). Oltre alla lunghezza d'onda e all'angolo tra i raggi interferenti, l'altro parametro laser importante è la fluente laser (densità di energia). La fluente laser è determinata dalla potenza laser, dalla superficie irradiata e dal tempo di irradiazione. La fluente laser insieme alle proprietà termofisiche dei materiali determina la distribuzione della temperatura nei materiali. Le distribuzioni di temperatura nei materiali durante l'elaborazione della superficie laser sono generalmente ottenute dalla soluzione dell'equazione di trasferimento di calore di Fourier.

Dove t = t (x, z, t) è la temperatura in posizione (x, z) al tempo t; R, K e CP sono rispettivamente la densità, la conducibilità termica e il calore specifico del materiale;sono il calore assorbito, il calore dello scioglimento e il calore diVaporizzazione rispettivamente. La quantità di calore assorbita dal materiale dipende dall'assorbimento del materiale che è determinato da vari fattori correlati al materiale e alla superficie come rugosità superficiale, contaminazione superficiale, angolo di inclinazione, ecc. La soluzione dell'equazione del trasferimento di calore fornisce la distribuzione della temperatura In funzione dei parametri laser e delle proprietà del materiale. Per un caso semplificato di conduzione di ondeimensionali senza convezione e effetti di radiazione, la soluzione dell'equazione di trasferimento di calore può essere riorganizzata per stimare l'energia necessaria per produrre una singola margine di dimensioni della caratteristica superficiale.

La regione della superficie modificata mediante fusione, ablazione, ecc., Determina la dimensione della funzione (d) che può essere creata sulla superficie. Per ottenere il modello periodico distinguibile ben definito, la dimensione della caratteristica deve essere uguale o inferiore alla spaziatura della frangia (D). All'aumentare della conduttività del materiale, il calore viene rapidamente dissipato aumentando così l'area modificata dal modello di interferenza. Per il materiale a bassa conducibilità, gli effetti termici dovuti all'intensità modulata sono limitati a regioni molto strette con conseguenti dimensioni di caratteristiche più piccole della spaziatura della frangia (Fig. 11.5). All'aumentare della conduttività del materiale, la dimensione della caratteristica si avvicina alla spaziatura della frangia. La Figura 11.5 indica anche l'effetto dell'aumento dell'angolo di interferenza sulla spaziatura della frangia. Sulla base dell'analisi del trasferimento di calore discusso nella sezione 11.2, la tabella 11.1 fornisce la quantità calcolata di energie richieste per produrre dimensioni delle caratteristiche di superficie uguali alle distanze di marginali di interferenza per una varietà di materiali irradiati con alcune fonti laser comuni. La tabella, quindi, fornisce le linee guida per la selezione di parametri di elaborazione laser appropriati per ottenere strutture geometriche desiderate in un determinato materiale mediante irradiazione con il modello di interferenza laser (Engleman et al. 2005).

Aspetti di progettazione dell'interferometro

I disegni tipici dell'interferometro sono generalmente costituiti da un telescopio in espansione (BET), ottica interferometrica (splitter di raggi e una serie di specchi) e ottica di messa a fuoco. BET determina la dimensione del raggio attraverso l'interferometro e quindi determina la fluenza di energia sulla superficie del campione. Un raggio di laser viene quindi diviso per uno splitter di raggio in più raggi che sono successivamente sovrapposti sulla superficie del campione

Fig. 11.5 Effetto dell'angolo tra i raggi e la conduttività del materiale sulla spaziatura delle interferenze (D) e sulla dimensione della caratteristica (D)

ottenuto in superficie.(Ristampato da Englemanet al. 2005. con il permesso. Copyright the Minerals,Metals and Materials Society.)

Wsing un set di specchi. Il contrasto tra le frange luminose e scure nel modello di interferenza è determinato dalla distribuzione dell'intensità nell'onda risultante. La differenza del percorso ottico tra le onde interferenti è determinata dalla differenza nella lunghezza dei bracci dell'interferometro. La differenza del percorso ottico deve essere inferiore alla lunghezza di coerenza per mantenere la coerenza temporale. La differenza del percorso ottico determina anche quanto sia ben definito il modello. Se un braccio dell'interferometro è più corto dell'altro, il raggio del braccio più corto arriverà prima sulla superficie del campione iniziando così così le modifiche della superficie sulla superficie del campione. Per tale caso, il tempo di interazione tra i raggi diminuirà. Il design dell'interferometro dovrebbe essere sufficientemente flessibile per consentire l'impostazione di qualsiasi angolo tra i raggi interferenti con una minore regolazione dell'angolo di incidenza e il movimento degli specchi (Engleman et al. 2005). Come descritto in precedenza, per una determinata lunghezza d'onda del raggio laser, la spaziatura della distribuzione dell'intensità è determinata dall'angolo tra i raggi interferenti. Più piccolo è l'angolo tra i raggi interferenti, più grande è la spaziatura nel motivo. Pertanto, il limite superiore della spaziatura è determinato dal più piccolo angolo raggiungibile con l'ottica dell'interferometro. Per una spaziatura più ampia, elementi ottici senza cornice possono essere progettati per consentire l'angolo di interferenza più piccolo (Daniel 2006). Inoltre, è possibile incorporare una serie di ottiche di messa a fuoco per regolare la fluente di energia sulla superficie di imaging del campione.