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Procesamiento de interferencia láser (2)

Número Navegar:20     Autor:Editor del Sitio     publicar Tiempo: 2019-03-07      Origen:motorizado Su mensaje

  Aspectos del láser y materiales

  Como se mencionó anteriormente, los patrones de interferencia se obtienen de los haces que son coherentes. Los haces incoherentes no interferirían para producir franjas oscuras y brillantes (debido a la modulación de la intensidad en la onda resultante). Tanto la coherencia temporal como la espacial de los haces deben preservarse para realizar el patrón de interferencia. La coherencia espacial está relacionada con la correlación entre dos puntos en el mismo frente de onda, mientras que la coherencia temporal está relacionada con la correlación de puntos similares en diferentes frentes de onda. La coherencia espacial de los haces está muy influida por la presencia de varios modos longitudinales en la salida del láser (Engleman et al. 2005). Generalmente, la pérdida de coherencia ocurre con el número creciente de modos longitudinales. La figura 11.3 presenta la influencia de varios modos longitudinales en la visibilidad de las franjas en el experimento interferométrico. Como se indica en la figura, la visibilidad de las franjas disminuye con la diferencia de trayectoria para el funcionamiento multimodo del láser. Por lo tanto, en las operaciones multimodo, la diferencia de ruta permitida es limitada (Ready, 1997). La coherencia temporal está relacionada con el ancho de banda espectral de la fuente. Las bandas más estrechas dan como resultado un tiempo de coherencia más largo. El tiempo de coherencia (? T) se expresa como el recíproco del ancho de línea. La longitud de coherencia (? X) viene dada por el producto de la velocidad de onda (c) y el tiempo de coherencia (? T). La longitud de la coherencia se ve influenciada nuevamente por el número de modos operativos. Por ejemplo, la longitud de coherencia típica del láser He-Ne multimodo está en el rango de 20 cm, mientras que la longitud de coherencia típica del láser de He-Ne monomodo está en el rango de 100,000 cm (Ready, 1997).

  El tipo de fuente de láser determina el patrón de interferencia producido en la superficie del material. Los parámetros láser más importantes son la longitud de onda del láser y la

Procesamiento de interferencia láser (1)

Fig. 11.3 Variación de la visibilidad de franja con diferencia de trayectoria para un láser que opera con N modos longitudinales en una

interferométricoexperimentar. (Reimpreso de Ready 1997. Con permiso. Copyright Elsevier.)

Procesamiento de interferencia láser (2)

Fig. 11.4 Variación del espaciado teórico de franjas con el ángulo entre los haces interferentes para algunas longitudes de onda comunes de los láseres utilizados

en el procesamiento de materiales. (Reimpreso de Engleman et al. 2005. Con permiso. Copyright The Minerals, Metals and Materials Society.)

Ángulo entre los haces interferentes. Estos parámetros determinan el espaciado de franjas de acuerdo con la ec. (11.2). La figura 11.4 presenta la variación teórica del espaciado de franjas con el ángulo de interferencia para algunas longitudes de onda comunes empleadas en el procesamiento de materiales láser. La figura indica que para una longitud de onda determinada del láser, se produce un espacio de franja más corto con los haces que interfieren en un ángulo grande. La figura también indica que las longitudes de onda más cortas (266, 355, 532 y 1,064 nm) producen un espaciado de franjas que es proporcionalmente más pequeño que el producido por los láseres de longitud de onda más larga (10,6 m). El límite físico inferior del espaciado de franjas de acuerdo con la ec. (11.2) es la mitad de la longitud de onda del láser. El espaciado de franjas influye en gran medida en la resolución espacial de las características en la superficie del material a través de la combinación de efectos tales como efectos físicos, químicos y metalúrgicos (Engleman et al. 2005). Además de la longitud de onda y el ángulo entre los haces interferentes, el otro parámetro importante del láser es la fluencia del láser (densidad de energía). La fluencia del láser está determinada por la potencia del láser, el área de la superficie irradiada y el tiempo de irradiación. La fluencia del láser junto con las propiedades termofísicas de los materiales determina la distribución de la temperatura en los materiales. Las distribuciones de temperatura en los materiales durante el procesamiento de la superficie con láser generalmente se obtienen mediante la solución de la ecuación de transferencia de calor de Fourier.

  donde T = T (x, z, t) es la temperatura en la posición (x, z) en el tiempo t; r, k y cp son la densidad, la conductividad térmica y el calor específico del material respectivamente;son el calor absorbido, el calor de fusión, y el calor devaporización respectivamente. La cantidad de calor absorbido por el material depende de la capacidad de absorción del material, que está determinada por diversos factores relacionados con la superficie y el material, como la rugosidad de la superficie, la contaminación de la superficie, el ángulo de inclinación, etc. La solución de la ecuación de transferencia de calor proporciona la distribución de la temperatura En función de los parámetros del láser y de las propiedades del material. Para un caso simplificado de conducción unidimensional sin convección y efectos de radiación, la solución de la ecuación de transferencia de calor se puede reorganizar para estimar la energía requerida para producir una franja única de un tamaño de característica de superficie particular.

La región de la superficie modificada por fusión, ablación, etc., determina el tamaño de la característica (d) que se puede crear en la superficie. Para obtener el patrón periódico distinguible bien definido, el tamaño de la característica debe ser igual o menor que el espaciado de franjas (d). A medida que aumenta la conductividad del material, el calor se disipa rápidamente, lo que aumenta el área modificada por el patrón de interferencia. Para material de baja conductividad, los efectos térmicos debidos a la intensidad modulada se limitan a regiones muy estrechas que dan como resultado tamaños de características más pequeños que el espaciado de franjas (Fig. 11.5). A medida que aumenta la conductividad del material, el tamaño de la característica se acerca al espaciado de la franja. La figura 11.5 también indica el efecto de aumentar el ángulo de interferencia en el espaciado de franjas. Basado en el análisis de transferencia de calor discutido en la Sección 11.2, la Tabla 11.1 proporciona la cantidad calculada de energías requeridas para producir tamaños de características de superficie iguales a los espacios de interferencia de franjas para una variedad de materiales irradiados con algunas fuentes de láser comunes. La tabla, por lo tanto, proporciona las pautas para la selección de parámetros de procesamiento de láser apropiados para lograr las estructuras geométricas deseadas en un material dado mediante la irradiación con un patrón de interferencia de láser (Engleman et al. 2005).

  Aspectos del diseño del interferómetro

  Los diseños típicos de interferómetros generalmente consisten en un telescopio de expansión de haz (BET), óptica de interferómetro (divisores de haz y un conjunto de espejos) y óptica de enfoque. BET determina el tamaño del haz a través del interferómetro y, por lo tanto, determina la fluencia de la energía en la superficie de la muestra. Un haz de láser se divide luego por un divisor de haz en múltiples haces que posteriormente se superponen sobre la superficie de la muestra

Procesamiento de interferencia láser (3)

Fig. 11.5 Efecto del ángulo entre los haces y la conductividad del material en el espacio de interferencia (d) y el tamaño de la característica (d)

obtenido en la superficie.(Reimpreso de Englemanet al. 2005. Con permiso. Copyright The Minerals,Sociedad de Metales y Materiales.)

utilizando un conjunto de espejos. El contraste entre las franjas brillantes y oscuras en el patrón de interferencia está determinado por la distribución de intensidad en la onda resultante. La diferencia de la trayectoria óptica entre las ondas interferentes está determinada por la diferencia en la longitud de los brazos del interferómetro. La diferencia del camino óptico debe ser menor que la longitud de la coherencia para mantener la coherencia temporal. La diferencia de trayectoria óptica también determina qué tan bien definido está el patrón. Si un brazo del interferómetro es más corto que el otro, el haz del brazo más corto llegará primero a la superficie de la muestra, iniciando así las modificaciones de la superficie en la superficie de la muestra. Para tal caso, el tiempo de interacción entre los haces disminuirá. El diseño del interferómetro debe ser lo suficientemente flexible como para permitir el ajuste de cualquier ángulo entre los haces interferentes con un ajuste menor del ángulo de incidencia y el movimiento de los espejos (Engleman et al. 2005). Como se describió anteriormente, para una longitud de onda dada del rayo láser, el espaciado de la distribución de intensidad se determina por el ángulo entre los haces que interfieren. Cuanto menor sea el ángulo entre los haces interferentes, mayor será el espaciado en el patrón. Por lo tanto, el límite superior del espaciado está determinado por el ángulo más pequeño posible con la óptica del interferómetro. Para espacios más grandes, se podrían diseñar elementos ópticos especiales sin marco para permitir un ángulo de interferencia más pequeño (Daniel 2006). Además, se puede incorporar un conjunto de ópticas de enfoque para ajustar la fluencia de la energía en la superficie de imagen de la muestra.

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