معالجة تدخل الليزر من الصين هارسل

جوانب الليزر والمواد

كما ذكرنا سابقًا ، يتم الحصول على أنماط التداخل من الحزم المتماسكة. لن تتداخل الحزم غير المترابطة لإنتاج هامش داكنة ومشرقة (بسبب تعديل الكثافة في الموجة الناتجة). يجب الحفاظ على كل من التماسك الزمني والمكاني للحزم لتحقيق نمط التداخل. يرتبط التماسك المكاني بالعلاقة بين نقطتين على نفس مقدمة الموجة ، في حين يرتبط التماسك الزمني مع ارتباط نقاط مماثلة على جبهات موجة مختلفة. يتأثر التماسك المكاني للحزم إلى حد كبير بوجود عدد من الأوضاع الطولية في إخراج الليزر (Engleman et al. 2005). بشكل عام ، يحدث فقدان التماسك مع زيادة عدد أوضاع الطولية. يعرض الشكل 11.3 تأثير عدد من الأوضاع الطولية على رؤية الهامش في التجربة التداخل. كما هو موضح في الشكل ، تنخفض رؤية الهامش مع اختلاف المسار لتشغيل تعدد الأدوار من الليزر. وبالتالي ، في عمليات multimode ، يكون فرق المسار المسموح به محدودًا (جاهز 1997). يرتبط التماسك الزمني مع النطاق الترددي الطيفي للمصدر. نطاقات أضيق تؤدي إلى وقت التماسك أطول. يتم التعبير عن وقت التماسك (؟ T) باعتباره المعاملة بالمثل لعرض الخط. ثم يتم إعطاء طول التماسك (؟ x) بواسطة منتج سرعة الموجة (C) ووقت التماسك (؟ T). يتأثر طول التماسك مرة أخرى بعدد أوضاع التشغيل. على سبيل المثال ، يبلغ طول التماسك النموذجي للليزر متعدد الأدوار في حدود 20 سم ، في حين أن طول التماسك النموذجي للوضع المفرد هو ليزر من 100000 سم (جاهز 1997).

يحدد نوع مصدر الليزر نمط التداخل المنتج على سطح المادة. أهم معلمات الليزر هي الطول الموجي للليزر و

الشكل 11.3 تباين رؤية هامش مع اختلاف المسار في الليزر يعمل مع أوضاع طولية n في

التداخلتجربة - قام بتجارب. (أعيد طبعه من Ready 1997. بإذن. حقوق الطبع والنشر Elsevier.)

الشكل.

في معالجة المواد. (أعيد طبعه من Engleman et al. 2005. بإذن. حقوق الطبع والنشر لمجتمع المعادن والمعادن والمواد.)

زاوية بين الحزم المتداخلة. تحدد هذه المعلمات تباعد هامش وفقًا لـ Eq. (11.2). يعرض الشكل 11.4 التباين النظري للتباعد الهامش بزاوية التداخل لبعض الأطوال الموجية الشائعة المستخدمة في معالجة مواد الليزر. يشير الشكل إلى أنه بالنسبة لطول موجي معين من الليزر ، يتم إنتاج تباعد هامش أقصر مع تدخل الحزم في زاوية كبيرة. يشير الشكل أيضًا إلى أن الأطوال الموجية الأقصر (266 ، 355 ، 532 ، و 1064 نانومتر) تنتج تباعد هامش أصغر نسبيًا من تلك التي تنتجها أشعة الليزر ذات الطول الموجي الأطول (10.6؟ م). الحد الأدنى المادي للتباعد هامش وفقا ل Eq. (11.2) هو نصف الطول الموجي للليزر. يؤثر التباعد الهامش بشكل كبير على الدقة المكانية للميزات على سطح المادة من خلال مزيج من التأثيرات مثل التأثيرات الفيزيائية والكيميائية والمعدنية (Engleman et al. 2005). بالإضافة إلى الطول الموجي والزاوية بين الحزم المتداخلة ، فإن المعلمة الليزرية المهمة الأخرى هي الفلان بالليزر (كثافة الطاقة). يتم تحديد فلاط الليزر بواسطة قوة الليزر ، ومساحة السطح المشععة ، ووقت التشعيع. تحدد الفلز بالليزر جنبا إلى جنب مع الخواص الفيزيائية الحرارية للمواد توزيع درجة الحرارة في المواد. يتم الحصول على توزيعات درجة الحرارة في المواد أثناء معالجة سطح الليزر بشكل عام عن طريق محلول معادلة فورييه لنقل الحرارة.

حيث t = t (x ، z ، t) هي درجة الحرارة في الموضع (x ، z) في الوقت t ؛ R ، K ، و CP هي الكثافة والتوصيل الحراري والحرارة المحددة للمادة على التوالي ؛هي الحرارة الممتصة ، حرارة الذوبان ، وحرارةتبخير على التوالي. تعتمد كمية الحرارة التي تمتصها المادة على امتصاص المادة التي تحددها مختلف العوامل ذات الصلة بالمواد والعوامل السطحية مثل خشونة السطح ، وتلوث السطح ، وزاوية الميل ، وما إلى ذلك. يحل محلول معادلة نقل الحرارة توزيع درجة الحرارة كدالة لمعلمات الليزر وخصائص المواد. بالنسبة لحالة مبسطة من التوصيل الأبعاد بدون آثار الحمل الحمل والإشعاع ، يمكن إعادة ترتيب حل معادلة نقل الحرارة لتقدير الطاقة المطلوبة لإنتاج هامش واحد من حجم ميزة سطح معين.

تحدد منطقة السطح المعدلة عن طريق الانصهار ، والتذرية ، وما إلى ذلك ، حجم الميزة (د) التي يمكن إنشاؤها على السطح. للحصول على النمط الدوري المميز المحدد جيدًا ، يجب أن يكون حجم الميزة مساوياً أو أصغر من التباعد الهامش (D). مع زيادة الموصلية للمادة ، يتم تبديد الحرارة بسرعة وبالتالي زيادة المساحة المعدلة حسب نمط التداخل. بالنسبة للمواد الموصلية المنخفضة ، تقتصر التأثيرات الحرارية الناتجة عن الشدة المعدلة على المناطق الضيقة للغاية مما يؤدي إلى أحجام الميزات أصغر من التباعد الهامش (الشكل 11.5). مع زيادة الموصلية للمادة ، يقترب حجم الميزة من التباعد الهامش. يشير الشكل 11.5 أيضًا إلى تأثير زيادة زاوية التداخل على التباعد الهامش. استنادًا إلى تحليل نقل الحرارة الذي تمت مناقشته في القسم 11.2 ، يوفر الجدول 11.1 الكمية المحسوبة من الطاقات المطلوبة لإنتاج أحجام ميزة السطح مساوية للطفرات الهامشية للتداخل لمجموعة متنوعة من المواد المشععة ببعض مصادر الليزر الشائعة. وبالتالي ، يوفر الجدول إرشادات لاختيار معلمات معالجة الليزر المناسبة لتحقيق الهياكل الهندسية المطلوبة في مادة معينة من خلال تشعيع نمط تداخل الليزر (Engleman et al. 2005).

جوانب تصميم التداخل

تتكون تصميمات التداخل النموذجي عمومًا من تلسكوب متوسع في الحزمة (BET) ، البصريات التداخل (تقسيم الشعاع ومجموعة من المرايا) ، وتركيز البصريات. يحدد BET حجم الحزمة من خلال مقياس التداخل وبالتالي يحدد انفلس الطاقة على سطح العينة. ثم يتم تقسيم شعاع الليزر بواسطة خائن شعاع إلى حزم متعددة يتم تراكبها لاحقًا على سطح العينة

الشكل 11.5 تأثير الزاوية بين الحزم وتوصيل المادة على تباعد التداخل (D) وحجم الميزة (D)

تم الحصول عليها على السطح.(أعيد طبعه من Englemanet AL. 2005. بإذن. حقوق الطبع والنشر للمعادن ،مجتمع المعادن والمواد.)

wsing مجموعة من المرايا. يتم تحديد التباين بين الهامش المشرقة والظلام في نمط التداخل من خلال توزيع الكثافة في الموجة الناتجة. يتم تحديد فرق المسار البصري بين الموجات المتداخلة عن طريق الفرق في طول أذرع التداخل. يجب أن يكون فرق المسار البصري أقل من طول التماسك للحفاظ على التماسك الزمني. يحدد اختلاف المسار البصري أيضًا مدى تحديد النمط. إذا كان أحد ذراع مقياس التداخل أقصر من الآخر ، فستصل الحزمة من الذراع الأقصر إلى سطح العينة أولاً وبالتالي بدء تعديلات السطح على سطح العينة. لمثل هذه الحالة ، سينخفض ​​وقت التفاعل بين الحزم. يجب أن يكون تصميم مقياس التداخل مرنًا بما فيه الكفاية للسماح بإعداد أي زاوية بين الحزم المتداخلة مع تعديل بسيط لزاوية الإصابة وحركة المرايا (Engleman et al. 2005). كما هو موضح من قبل ، بالنسبة لطول موجة معين من شعاع الليزر ، يتم تحديد تباعد توزيع الشدة بالزاوية بين الحزم المتداخلة. أصغر الزاوية بين الحزم المتداخلة ، كلما زاد التباعد في النمط. وبالتالي ، يتم تحديد الحد الأعلى للتباعد من خلال أصغر زاوية يمكن تحقيقها مع البصريات التداخل. للتباعد الأكبر ، يمكن تصميم العناصر البصرية الخاصة بدون إطار للسماح بزاوية التداخل الأصغر (Daniel 2006). أيضا ، يمكن دمج مجموعة من البصريات التركيز لضبط انفلس الطاقة على سطح التصوير للعينة.