Doktorska disertacija obravnava lasersko procesiranje z vlaki bliskov in delovanja z bliskom na zahtevo z namenom doseganja visoke hitrosti in kakovosti pri laserski obdelavi materialov. Nanosekundni laserji sicer omogočajo visoko pretočnost, vendar povzročajo toplotne poškodbe, medtem ko procesiranje z ultrakratkimi laserskimi bliski zagotavlja visoko natančnost, a je mnogokrat prepočasno za industrijske potrebe. Procesiranje z vlaki ultrakratkih bliskov (fs do ps) združuje prednosti obeh režimov z nadzorovano akumulacijo toplote. Pri procesiranju z vlaki bliskov igrajo vlogo tri različne časovne skale: ultrakratko (fs, ps) trajanje bliska - zmanjšuje neposredne toplotne poškodbe, nanosekundni časi med bliski znotraj vlaka - omogočajo koristne toplotne učinke, ki povečujejo učinkovitost ablacije, mikrosekunde med vlaki bliskov - preprečujejo prekomerno kopičenje toplote.
Interno razviti vlakenski laserski sistemi omogočajo raziskave v širokem parametrskem prostoru: trajanje bliskov od femtosekund do pikosekund in nanosekund, konfiguracija vlakov bliskov od enega do deset bliskov na vlak, frekvence znotraj vlaka bliskov med 20 in 40 MHz ter frekvence med vlaki bliskov od mikrosekunde do milisekunde. Delovanje z bliskom na zahtevo s časovno ločljivostjo 5~ns omogoča sinhronizacijo z visokohitrostnimi skenirnimi sistemi pri ponavljalnih frekvencah od 1 kHz do 1 MHz.
Z eksperimentalnimi raziskavami na bakru in siliciju smo ovrednotili učinke procesiranja z vlaki bliskov na več časovnih skalah. Učinkovitost ablacije se je povečala do desetkrat v primerjavi z obdelavo s posameznimi bliski, pri čemer sta obseg in mehanizem povečanja odvisna od lastnosti materiala in časovnih parametrov. Pri bakru je procesiranje z 40MHz dosegel 200% višjo učinkovitost kot procesiranje pri 20MHz zaradi kopičenja toplote, ki ga omogoča visoka toplotna difuzivnost bakra, medtem ko je silicij pokazal minimalno odvisnost od tega parametra zaradi nižje toplotne difuzivnosti. Učinke kopičenja toplote smo ovrednotili od nanosekundne časovne skale znotraj vlaka do mikrosekunde časovne skale med vlaki, kar je omogočilo določitev prevladujočih ablacijskih mehanizmov pri različnih pogojih procesiranja.
Rezultati kažejo, da pikosekundno procesiranje z vlaki bliskov dosega učinkovitost ablacije primerljivo z nanosekundnimi laserji, ob enem pa ohranja kakovost površine in lastnosti toplotno prizadete cone, značilne za ultrakratke laserske bliske.
Delovanje z bliskom na zahtevo odpravlja omejitve skeniranja z ohranjanjem konstantnega razmika bliskov med pospeševanjem in zaviranjem, kar omogoča visokohitrostno procesiranje z izboljšano natančnostjo pozicioniranja.
Pristop 2,5D procesiranja, ki združuje delovanje z bliskom na zahtevo in dinamično modulacijo ponavljalne frekvence, je v primerjavi s tradicionalnim plastenjem dosegel 6,5 do 10-kratno zmanjšanje časa procesiranja za kompleksne površinske vzorce. Pristop smo potrdili z izdelavo biomimetičnih površin z značilnostmi v razponu od mikrometrov do milimetrov.
Disertacija opredeljuje odnose med parametri vlakov bliskov in učinkovitostjo ablacije za baker in silicij v preučevanem parametrskem prostoru, določa parametrske režime, ki uravnotežijo učinkovitost in kakovost, ter predstavlja novo tehniko 2,5D procesiranja, ki združuje delovanje z bliskom na zahtevo z dinamično modulacijo ponavljalne frekvence. Rezultati nakazujejo možnost uporabe pri procesiranju tiskanih vezij, strukturiranju tankih plasti in splošnem površinskem strukturiranju, kjer sta potrebni visoka hitrost in natančnost.
|
