Heat accumulation temperature measurement in ultrashort pulse laser micromachining

Abstract

Ultrakrátké pulzní laserové mikroobrábění je ovlivněno akumulací tepla, která je výsledkem zbytkového tepla z předchozích laserových pulzů na povrchu vzorku. Až dosud většina prací analyzovala akumulaci pomocí numerického modelování. Předkládaná práce se zaměřila na vývoj a první použití systému měření teploty akumulace tepla přímo během procesů v časových rozsazích nanosekund a mikrosekund. Měřicí systém byl založen na infračervené radiometrii a obsahoval rychlý fotodetektor HgCdTe chlazený kapalným dusíkem a paraboloidní zrcadla. Mikroobrábění drážek bylo prováděno pomocí 14 W pikosekundového laseru s různými energiemi v pulzu, opakovacími frekvencemi a rychlostmi skenování. Kalibrace měřicího systému byla provedena za účelem získání teplot z měřeného signálu. Kalibrace nebyla jednoduchá kvůli velmi malé laserové stopě (25 μm), malému signálu a změně velikosti vyhřívané oblasti pro nízké rychlosti skenování. Získaná teplota akumulace tepla se pohybovala od 300°C do 2600°C pro rychlosti skenování od 8 m/s do 0,07 m/s a pulzní energie od 0,1 µJ do 100 µJ. Podle obrázků ze skenovacího elektronového mikroskopu (SEM) byl materiál již částečně roztaven (malé kapičky na hranicích) pro nízkou rychlost skenování. Drsnost povrchu a účinnost ablace byly stanoveny pomocí 3D konfokálního laserového mikroskopu. Byla nalezena dobrá korelace mezi drsností a teplotou akumulace tepla, což potvrdilo platnost kalibrace. Naměřená teplota akumulace tepla byla překvapivě nejvyšší pro nejúčinnější ablační parametry a současně byla dosažena nízká drsnost povrchu.