Методы сканирования поверхности сфокусированным пучком
Оптические схемы лазерной
Обработки
Влазерных технологиях инструментом воздействия на обрабатываемый материал является пучок лазерного излучения. Кроме энергетических характеристик пучка, рассмотренных в предыдущем разделе, существенную роль играют его пространственные параметры, такие как размер иформа зоны воздействия. Эти характеристики определяются выбранной оптической или оптико-механической схемой обработки, основное назначение которой состоит в концентрации энергии и в обеспечении заданного поля воздействия и формы облученной зоны внутри него.
В настоящем разделе рассмотрены методы формирования облученной зоны заданных размеров и формы при последовательном обходе лазерным пучком или при ее одновременном облучении методом оптической проекции. Концентрация энергии осуществляется либо путем фокусировки лазерного пучка, либо за счет его оптической проекции в соответствующем масштабе. Основными методами формирования облученной зоны являются:
1) методы сканирования поверхности сфокусированным пучком;
2) проекционные методы.
Методы сканирования поверхности сфокусированным пучком
При использовании этих методов изображение синтезируется в результате последовательного облучения заданного топологического рисунка сфокусированным пучком излучения. Обход контура на обрабатываемой поверхности осуществляется путем относительного перемещения пучка излучения и объекта обработки.
Фокусировка лазерного пучка зависит от поперечного распределения интенсивности в нем. Последнее определяется модовой структурой пучка. Для наиболее часто встречающихся в лазерных технологиях случаев можно ограничиться двумя моделями лазеров: одномодовой, хорошо известной из литературы [1], и телецентрической для многомодовых лазеров.
Последняя модель особенно важна, поэтому кратко опишем ее: считается, что все точки выходного сечения лазера являются источниками одинаковых конических пучков лучей, оси которых параллельны оптической оси лазера, а углы конусов равны полному углу расходимости излучения лазера (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Телецентрическая модель лазера совместно с оптической системой
Относительное перемещение пучка излучения и обрабатываемого изделия может быть обеспечено разными способами (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Способы относительного перемещения пучка излучения и обрабатываемого изделия
а). Перемещение детали в плоскости и обработки (фокальной плоскости оптической системы). Деталь при этом располагается на координатном столе (рис. 2.2. а), на валу (при производстве гибких печатных форм. рис. 2.2. б) и т.п.
б). Перемещение оптической системы в заданной плоскости — так называемые плоттерные системы или системы с «летающей» оптикой (рис. 2.2. в) — или по заданной траектории в пространстве, когда излучение к оптической системе, управляемой роботом, подается с помощью оптического кабеля (рис. 2.2. г).
Особенностью систем (а. б. в. г) на больших скоростях движения является проблема обеспечения постоянной плотности мощности излучения на поверхности детали при изменении скорости движения.
в). Отклонение пучка лазерного излучения, например, с использованием сканера, содержащего два качающихся зеркала с магнитоэлектрическим приводом (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Изменение размера облученной области при сканировании пучка
Как видно из рис. 2.3. размер облученной зоны d зависит от ее расположения относительно центра рабочего поля у. Увеличение размера облученной зоны при отклонении пучка происходит по двум причинам: вследствие дефокусировки пучка и вследствие наклонного падения пучка на обрабатываемую поверхность. Допустимое изменение размера облученной зоны определяет размеры рабочей области.
Основным достоинством методов сканирования сфокусированным пучком является возможность концентрации всей энергии излучения лазера на площадке минимальных размеров и относительная простота формирования сложного топологического рисунка. К недостаткам метода относятся невысокая точность, связанная с неравномерностью распределения энергии в фокальной плоскости и с изменением размеров облученной зоны в процессе сканирования, а также необходимость использования сложных систем управления и перемещения пучка (или объекта).
Проекционные методы
Сущность проекционных методов заключается в формировании изображения в целом, его части или образующего элемента путем проецирования пучком лазерного излучения изображения маски на обрабатываемую поверхность с заданным масштабом уменьшения.
Схема микропроекционного метода представлена на рис. 2.4.
Рис. 2.4. Схема микропроекционного метода
Пучок излучения лазера 1 расширяется с помощью осветительной оптической системы 2 до размера маски-трафарета 3. уменьшенное изображение которого строится с помощью проекционного объектива 4 на поверхности обрабатываемого материала 5.
Методика расчета микропроекционной схемы следующая. В качестве исходных данных, как правило, задаются: dобр — размер поперечного сечения образца, dобрО — размер минимального элемента изображения на образце, dл — размер поперечного сечения пучка на выходной апертуре лазера, dмо — минимальный размер щели в маске (обычно задается нижняя граница dмо). Увеличение проекционной оптической системы определяется как
(2.1)
При этом минимальный масштаб проекции, соответствующий , можно определить из условия обеспечения требуемой плотности энергии на образце , при отсутствии разрушения маски:
(2-2)
где — пороговая плотность энергии разрушения маски.
Максимальный масштаб проекционной системы ограничен дифракционными явлениями на апертуре проекционной системы и на маске.
Рабочее увеличение проекционной системы βпр должно лежать в интервале . Полный размер маски составляет
Увеличение осветительной системы определяется как
(2.3)
При этом максимальное увеличение осветительной системы определяется условием обеспечения сохранности маски при известной плотности энергии на выходе лазера
Выбирая объектив и осветительную систему с известными фокусными расстояниями, находим значения , определяющие габаритные размеры системы, из формул:
(2.4)
(2.5)
В отдельных случаях могут быть использованы упрощенные варианты оптической схемы. Если , осветительная система может отсутствовать. Если не требуется уменьшение размеров маски и может отсутствовать проекционная схема. В последнем случае проекционный метод сводится к контактному.
Особенностью микропроекционного способа формирования изображения является то, что требования максимального поля обработки и высокой разрешающей способности находятся в противоречии: чем выше разрешающая способность изображения, тем меньше площадь одновременно облучаемой поверхности.
Основными достоинствами проекционных методов обработки материалов являются возможность получения изображения сложной конфигурации и высокая разрешающая способность. Недостатками проекционных методов, ограничивающими их применение, являются потери энергии на маске и жесткие требования к равномерности освещения всего поля маски.
При отсутствии проекционной системы для получения изображения маски она должна быть вплотную прижата к обрабатываемой поверхности, и проекционный метод переходит в контактный. Недостатками контактного метода являются быстрый износ трафарета и механические повреждения образца, а также дифракционные искажения изображения при неплотном прижатии и невысокая разрешающая способность (несколько микрон).