Procesamiento de interferencias láser de China Harsle

Aspectos de láser y materiales

Como se mencionó anteriormente, los patrones de interferencia se obtienen de las vigas que son coherentes. Las vigas incoherentes no interferirían para producir franjas oscuras y brillantes (debido a la modulación de intensidad en la onda resultante). La coherencia temporal y espacial de las vigas debe 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 las vigas está muy influenciada por la presencia de una serie de modos longitudinales en la salida del láser (Engleman et al. 2005). En general, la pérdida de coherencia ocurre con el número creciente de modos longitudinales. La Figura 11.3 presenta la influencia de una serie de 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 ruta para la operación multimodo de 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 la línea. La longitud de coherencia (? X) es dada por el producto de la velocidad de onda (c) y el tiempo de coherencia (? T). La longitud de coherencia está nuevamente influenciada por el número de modos operativos. Por ejemplo, la longitud de coherencia típica del láser multimodo He - Nne está en el rango de 20 cm, mientras que la longitud de coherencia típica del láser HE - NE de modo único está en el rango de 100,000 cm (Ready 1997).

El tipo de fuente 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 el

Fig. 11.3 Variación de la visibilidad marginal con diferencia de ruta para un láser que funciona con n modos longitudinales en un

interferométricoexperimento. (Reimpreso de Ready 1997. con permiso. Copyright Elsevier).

Fig. 11.4 Variación de la separación de flecos teóricos con ángulo entre las vigas interferentes para algunas longitudes de onda comunes de los láseres utilizados

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

Ángulo entre las vigas interferentes. Estos parámetros determinan el espacio libre según la ecuación. (11.2). La Figura 11.4 presenta la variación teórica del espacio libre con 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 dada del láser, se produce un espaciado marginal más corto con las vigas 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 espacios franjas que es proporcionalmente más pequeño que el producido por láseres de longitud de onda más larga (10.6? M). El límite inferior físico del espacio libre de acuerdo con la ecuación. (11.2) es la mitad de la longitud de onda del láser. El espaciado marginal influye en gran medida en la resolución espacial de las características en la superficie del material a través de la combinación de efectos como efectos físicos, químicos y metalúrgicos (Engleman et al. 2005). Además de la longitud de onda y el ángulo entre las vigas interferentes, el otro parámetro láser importante es la fluencia láser (densidad de energía). La fluencia láser está determinada por la potencia del láser, el área de superficie irradiada y el tiempo de irradiación. La fluencia láser junto con las propiedades termofísicas de los materiales determina la distribución de temperatura en los materiales. Las distribuciones de temperatura en los materiales durante el procesamiento de la superficie del 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 la fusión y el calor devaporización respectivamente. La cantidad de calor absorbido por el material depende de la absorción del material que está determinada por varios factores relacionados con el material y la superficie, 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 temperatura en función de los parámetros láser y las propiedades del material. Para un caso simplificado de conducción onedimensional 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 sola franja 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 espacio libre (D). A medida que aumenta la conductividad del material, el calor se disipa rápidamente, aumentando el área modificada por el patrón de interferencia. Para el material de baja conductividad, los efectos térmicos debido a la intensidad modulada se limitan a regiones muy estrechas que dan como resultado tamaños de características más pequeños que el espacio libre (Fig. 11.5). A medida que aumenta la conductividad del material, el tamaño de la característica se acerca al espacio libre. La Figura 11.5 también indica el efecto de aumentar el ángulo de interferencia en el espacio libre. Según 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 marginales de interferencia para una variedad de materiales irradiados con algunas fuentes de láser comunes. La tabla, por lo tanto, proporciona las pautas para la selección de los parámetros de procesamiento láser apropiados para lograr las estructuras geométricas deseadas en un material dado al irradiar con el patrón de interferencia láser (Engleman et al. 2005).

Aspectos de diseño de interferómetro

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

Fig. 11.5 Efecto del ángulo entre las vigas y la conductividad del material sobre 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).

Wsing 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 ruta óptica entre las ondas interferentes está determinada por la diferencia en la longitud de los brazos del interferómetro. La diferencia de ruta óptica debe ser menor que la longitud de coherencia para mantener la coherencia temporal. La diferencia de ruta 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 a la superficie de la muestra primero iniciando las modificaciones de la superficie en la superficie de la muestra. Para tal caso, el tiempo de interacción entre las vigas disminuirá. El diseño del interferómetro debe ser suficientemente flexible para permitir la configuración 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 haz láser, el espaciado de la distribución de intensidad está determinada por el ángulo entre las vigas interferentes. Cuanto más pequeño sea el ángulo entre las vigas interferentes, mayor es el espacio en el patrón. Por lo tanto, el límite superior del espacio está determinado por el ángulo más pequeño alcanzable con la óptica del interferómetro. Para un espacio más grande, se podrían diseñar elementos ópticos sin marco especiales para permitir el ángulo de interferencia más pequeño (Daniel 2006). Además, se puede incorporar un conjunto de ópticas de enfoque para ajustar la fluencia de energía en la superficie de imagen de la muestra.