Processamento de interferência a laser da China Harsle

Aspectos a laser e materiais

Como mencionado anteriormente, os padrões de interferência são obtidos das vigas coerentes. As vigas incoerentes não interfeririam para produzir franjas escuras e brilhantes (devido à modulação de intensidade na onda resultante). Tanto a coerência temporal quanto a espacial das vigas precisam ser preservadas para realizar o padrão de interferência. A coerência espacial está relacionada à correlação entre dois pontos na mesma frente de onda, enquanto a coerência temporal está relacionada à correlação de pontos semelhantes em diferentes frentes de onda. A coerência espacial das vigas é bastante influenciada pela presença de vários modos longitudinais na saída do laser (Engleman et al. 2005). Geralmente, a perda de coerência ocorre com o crescente número de modos longitudinais. A Figura 11.3 apresenta a influência de vários modos longitudinais na visibilidade das margens no experimento interferométrico. Conforme indicado na figura, a visibilidade das franjas diminui com a diferença de caminho para a operação multimodo do laser. Assim, em operações multimodo, a diferença de caminho permitida é limitada (Ready 1997). A coerência temporal está relacionada à largura de banda espectral da fonte. Bandas mais estreitas resultam em tempo de coerência mais longo. O tempo de coerência (? T) é expresso como o recíproco da largura da linha. O comprimento da coerência (? X) é dado pelo produto da velocidade da onda (c) e pelo tempo de coerência (? T). O comprimento da coerência é novamente influenciado pelo número de modos operacionais. Por exemplo, o comprimento típico da coerência do laser HE - não multimodo está na faixa de 20 cm, enquanto o comprimento típico da coerência do modo único que ele - não está na faixa de 100.000 cm (Ready 1997).

O tipo de fonte do laser determina o padrão de interferência produzido na superfície do material. Os parâmetros mais importantes do laser são o comprimento de onda do laser e o

Fig. 11.3 Variação da visibilidade marginal com diferença de caminho para um laser operando com n modos longitudinais em um

interferométricoexperimentar. (Reproduzido de Ready 1997. com permissão. Copyright Elsevier.)

Fig. 11.4 Variação do espaçamento teórico da franja com ângulo entre as vigas interferentes para alguns comprimentos de onda comuns dos lasers usados

no processamento de materiais. (Reproduzido de Engleman et al. 2005. Com permissão. Direitos autorais dos minerais, metais e materiais Sociedade.)

Ângulo entre as vigas interferentes. Esses parâmetros determinam o espaçamento marginal de acordo com a Eq. (11.2). A Figura 11.4 apresenta a variação teórica do espaçamento marginal com ângulo de interferência para alguns comprimentos de onda comuns empregados no processamento de materiais a laser. A figura indica que, para um determinado comprimento de onda do laser, o espaçamento maior de franjas é produzido com as vigas interferindo em grande ângulo. A figura também indica que comprimentos de onda mais curtos (266, 355, 532 e 1.064 nm) produzem espaçamento marginal, proporcionalmente menor do que o produzido por lasers de comprimento de onda mais longo (10,6? M). O limite físico inferior do espaçamento marginal de acordo com a Eq. (11.2) é metade do comprimento de onda do laser. O espaçamento maior influencia muito a resolução espacial das características na superfície do material através da combinação de efeitos como efeitos físicos, químicos e metalúrgicos (Engleman et al. 2005). Além do comprimento de onda e do ângulo entre os feixes interferentes, o outro parâmetro importante do laser é a fluência do laser (densidade de energia). A fluência a laser é determinada pela potência do laser, pela área de superfície irradiada e pelo tempo de irradiação. A fluência a laser, juntamente com as propriedades termofísicas dos materiais, determina a distribuição de temperatura nos materiais. As distribuições de temperatura nos materiais durante o processamento da superfície do laser são geralmente obtidas pela solução da equação de transferência de calor de Fourier.

Onde t = t (x, z, t) é a temperatura na posição (x, z) no tempo t; R, K e CP são a densidade, a condutividade térmica e o calor específico do material, respectivamente;são o calor absorvido, o calor do derretimento e o calor devaporização respectivamente. A quantidade de calor absorvida pelo material depende da absorção do material que é determinado por vários fatores relacionados ao material e da superfície, como rugosidade da superfície, contaminação da superfície, ângulo de inclinação, etc. A solução da equação de transferência de calor fornece a distribuição de temperatura em função dos parâmetros do laser e propriedades do material. Para um caso simplificado de condução onedimensional sem efeitos de convecção e radiação, a solução da equação de transferência de calor pode ser reorganizada para estimar a energia necessária para produzir uma única franja de um tamanho de recurso de superfície específico.

A região da superfície modificada por fusão, ablação etc. determina o tamanho do recurso (d) que pode ser criado na superfície. Para obter o padrão periódico distinguível bem definido, o tamanho do recurso deve ser igual ou menor que o espaçamento marginal (D). À medida que a condutividade do material aumenta, o calor é rapidamente dissipado, aumentando assim a área modificada pelo padrão de interferência. Para material de baixa condutividade, os efeitos térmicos devido à intensidade modulada são limitados a regiões muito estreitas, resultando em tamanhos de características menores que o espaçamento marginal (Fig. 11.5). À medida que a condutividade do material aumenta, o tamanho do recurso se aproxima do espaçamento marginal. A Figura 11.5 também indica o efeito de aumentar o ângulo de interferência no espaçamento marginal. Com base na análise de transferência de calor discutida na Seção 11.2, a Tabela 11.1 fornece a quantidade calculada de energias necessárias para produzir tamanhos de recurso de superfície iguais a espaçamentos marginais de interferência para uma variedade de materiais irradiados com algumas fontes a laser comuns. A tabela, portanto, fornece as diretrizes para a seleção de parâmetros apropriados de processamento a laser para alcançar estruturas geométricas desejadas em um determinado material irradiando com o padrão de interferência do laser (Engleman et al. 2005).

Aspectos de design do interferômetro

Os projetos de interferômetro típicos geralmente consistem em um telescópio em expansão do feixe (BET), óptica de interferômetro (divisores de feixe e um conjunto de espelhos) e óptica de foco. A aposta determina o tamanho do feixe através do interferômetro e, portanto, determina a fluência energética na superfície da amostra. Um feixe de laser é então dividido por um divisor de feixe em múltiplas vigas que são subsequentemente sobrepostas na superfície da amostra

Fig. 11.5 Efeito do ângulo entre as vigas e a condutividade do material no espaçamento de interferência (d) e o tamanho do recurso (d)

obtido na superfície.(Reproduzido de EngleManet al. 2005. Com permissão. Copyright the Minerals,Sociedade de metais e materiais.)

Wsing um conjunto de espelhos. O contraste entre as franjas brilhantes e escuras no padrão de interferência é determinado pela distribuição de intensidade na onda resultante. A diferença do caminho óptico entre as ondas interferentes é determinado pela diferença no comprimento dos braços do interferômetro. A diferença do caminho óptico deve ser menor que o comprimento da coerência para manter a coerência temporal. A diferença de caminho óptico também determina o quão bem definido é o padrão. Se um braço do interferômetro for mais curto que o outro, o feixe do braço mais curto chegará primeiro à superfície da amostra, iniciando as modificações da superfície na superfície da amostra. Para esse caso, o tempo de interação entre as vigas diminuirá. O projeto do interferômetro deve ser suficientemente flexível para permitir a configuração de qualquer ângulo entre os feixes interferentes com um pequeno ajuste do ângulo de incidência e o movimento dos espelhos (Engleman et al. 2005). Como descrito anteriormente, para um determinado comprimento de onda do feixe de laser, o espaçamento da distribuição de intensidade é determinado pelo ângulo entre os feixes interferentes. Quanto menor o ângulo entre os feixes interferentes, maior é o espaçamento no padrão. Assim, o limite superior do espaçamento é determinado pelo menor ângulo alcançável com a óptica do interferômetro. Para espaçamento maior, os elementos ópticos especiais sem moldura podem ser projetados para permitir o ângulo de interferência menor (Daniel 2006). Além disso, um conjunto de óptica de foco pode ser incorporado para ajustar a fluência energética na superfície de imagem da amostra.