TERMOFYZIKÁLNÍ PROCESY A METODY LASEROVÉHO SKENOVÁNÍ S ULTRAKRÁTKÝMI PULZY V POVRCHOVÉM STRUKTUROVÁNÍ

Abstract

Laserové texturování povrchu je jednou z metod pro kontrolované strukturování a získávání specifických fyzikálních vlastností povrchu. Disertační práce je zaměřena na charakterizaci termofyzikálních procesů laserového texturovaní povrchu (LST) s ultrakrátkýma pulzy a vývoj laserových skenovacích metod pro rychle zpracování povrchu s vysokou přesností a nízkou akumulací tepla. V první části práce je uveden přehled laserového texturovaní povrchu pro několik aplikací: v biologii, materiálovém inženýrství, medicíně, optice, polovodičové elektronice a dalších. Jsou zvažovány různé fyzikální mechanismy interakce ultrakrátkých laserových pulzů s ozářeným povrchem. Jsou diskutována fyzikální omezení, jako je akumulace tepla a účinky stínění. Je prezentován aktuální stav moderních metod LST. Na základě literární rešerše jsou definovány cíle práce a hlavní úkoly: měření a analýza tepelného infračerveného záření detekovaného při laserovém zpracování povrchu a porovnání s teoretickými předpovědi; návrh a implementace nových skenovacích strategií pro vysokorychlostní LST; vyhodnocení přesnosti, rychlosti zpracování a akumulace tepla v různých LST metodách; praktická aplikace vyvinutých metod LST. V další části jsou uvedeny výzkumné metody použité ve studii. Jsou popsána měření akumulace tepla a ablace plazmatického žáru pomocí rychlých IR detektorů a metod zpracování dat. Nová posuvná metoda LST je vyvinuta a porovnána s klasickými metodami LST. Jsou uvedeny metody pro vyhodnocení přesnosti a rychlosti zpracování. Je popsán polorovinný termofyzikální model pro analytickou předpovědí změn povrchové teploty. Další část obsahuje dosažené výsledky a diskusi. Režimy laserového zpracování povrchu získané během experimentů byly charakterizovány třemi úrovněmi akumulace tepla: nízká akumulace tepla, kritická a přehřátá. Bylo obdrženo snížení doby ablačního plazmového žáru při vyšších skenovacích rychlostech. Jsou navrženy možné důvody takové závislosti. Bylo zjištěno, že posuvná metoda dosahuje více než desetkrát vyšší rychlosti zpracování se zanedbatelnou odchylkou geometrie vytvořených mikroobjektů. Podobné výsledky byly dosaženy v experimentech s laserovým tvarováním hloubkového profilu povrchových mikroobjektů. Nejvyšší rychlost zpracování bylo dosaženo s posuvnou metodou LST v režimu seskupení laserových pulzů (burst). Analýza teplotních režimů ukázala, že akumulace tepla je podobná pro klasickou i posuvnu strategii LST a přehřátý režim nebyl dosažen. U posuvné metody LST je akumulace tepla dokonce nižší než kritická hranice. Rozložení teploty v materiálu získané analytickým modelem ukazuje přiměřenou shodu s experimentálními výsledky měření IR záření. Ve srovnání s klasickými metodami byla prezentována i skutečná aplikace posuvné metody LST. Závěr a návrhy na další výzkum jsou uvedeny na konci práce. Výhody analýzy infračerveného záření a posuvné metody LST jsou zdůrazněny.