Technologia obróbki mikrolaserem rozwinęła się znacząco w ciągu ostatnich lat wraz z rozwojem systemów ablacji laserowej pracujących na bazie laserów o impulsach mikrosekundowych, nanosekundowych i femtosekundowych. Obróbka taka jest stosowana rutynowo w przemyśle i wiele produktów z bardzo różnorakich dziedzin jest dziś tworzonych tą techniką. W procesie tym wykorzystuje się wiele, różnych typów laserów, a jednym z bardziej popularnych jest laser nanosekundowy. Lasery starszych typów, jak np laser mikrosekundowy (MS), posiadały ograniczenia nie pozwalające na dalszą miniaturyzację tworzonych elementów, ale obecnie, wraz ze skracaniem długości impulsu, polepszaniem optyki oraz użyciem mniejszych długości fal, możliwości precyzyjnego tworzenia małych elementów stały się coraz bardziej dostępne.

Dążenie do miniaturyzacji tworzonych detali doprowadziło do stworzenia laseru femtosekundowego (FS), ale ilości usuwanego przezeń materiału a więc i jego wydajność okazały się znacząco mniejsze. Ponadto systemy oparte na laserach femtosekundowych są znacznie droższe i trudniejsze w obsłudze od systemów wykorzystujących lasery o dłuższym impulsie. Jest to główny powód wątpliwości związanych z ich zastosowaniem w obróbce przemysłowej.

Wraz z przejściem z laserów nanosekundowych (NS) do femtosekundowych (FS), gdy producenci laserów zaczęli osiągać nowe granice w skracaniu czasu impulsów, otworzyły się nowe możliwości przed tą technologią. Dzięki opracowaniu systemu laseru pikosekundowego (PS) Cardiff University we współpracy z Oxford Lasers Ltd. z Dicot w Wielkiej Brytanii eksplorują obecnie możliwości technologii ablacji laserowej pikosekundowej, która łączy w sobie zdolność do tworzenia bardzo wyrafinowanych i drobnych szczegółów z akceptowalną wydajnością usuwania materiału i kosztami użytkowania systemu.

Podstawowe wiadomości o ablacji laserowej

Obróbka laserowa polega, ogólnie rzecz biorąc, na usuwaniu warstw materiału, przy pomocy krótkotrwałych impulsów promienia lasera wysokiej mocy. Mogą być one generowane przez jakikolwiek laser, ale w tym tekście skupiamy się na laserach pikosekundowych i porównaniu ich z innymi technologiami krótkich impulsów takimi, jak lasery femtosekundowe i mikrosekundowe.

Ablacja laserowa krótkich impulsów (femtosekundowych, pikosekundowych i w pewnych przypadkach nanosekundowych) jest w pewnym uproszczeniu sublimacją, czyli przejściem ze stanu stałego do gazowego, jednak z zastrzeżeniem że czas trwania impulsu jest dużo krótszy niż czas pochłaniania energii przez obrabiany materiał. Dzięki temu prawie nie występuje konwekcja cieplna w materiale ani strefa zniszczenia termicznego materiału. Dzięki użyciu małej długości fal i krótkotrwałych impulsów, koncentracja i absorpcja energii jest tak wysoka że poddaje się jej praktycznie każdy materiał, wliczając w to wszystkie metale, polimery, materiały ceramiczne, szkło, a nawet diament. Każdy impuls tworzy plazmę, bardzo gorący gaz składający się ze zjonizowanych cząsteczek, który rozprzestrzenia się gwałtownie z miejsca powstania i tym samym odprowadza większość energii cieplnej. Jednak, jak zostanie to wykazane później, plazma taka może wywoływać również efekty negatywne, podczas wykonywania głębokich wcięć w materiale.

Rys. 1 Rezultaty obróbki laserem (odpowiednio od lewej): pikosekundowym, nanosekundowym i mikrosekundowym.

Dzięki słabemu ogrzewaniu się obrabianego materiału, laser o krótkim impulsie jest idealną technologią obróbki materiałów o niskiej temperaturze topnienia, takich jak polimery i niskotopliwe metale – obróbka tych materiałów daje efekty o najwyższej jakości. Rysunek 1 pokazuje efekty obróbki laserem pikosekundowym w porównaniu z efektami pracy laserów mikrosekundowego i nanosekundowego. Te ostatnie wykazują zniszczenia termiczne materiału (powstawanie stref wpływu ciepła), ponieważ impuls jest wystarczająco długi, aby zagrzać materiał wokół i stworzyć strefę przetopu. Strefa przetopu jest tworzona ze schłodzonej plazmy i małych, roztopionych pozostałości innych materiałów powstałych w czasie ablacji, i w elementach o głębokich wycięciach i wysokim współczynniku kształtu. Strefa przetopu może zakłócić pracę lasera nawet do tego stopnia że ablacja zachodzi nie w oryginalnym materiale ale właśnie w niej. Materiał tej strefy może być usunięty później, w czasie dalszej obróbki i czyszczenia, ale rezultaty są zwykle gorsze niż przy obróbce ultrakrótkimi impulsami, ponieważ gorąca plazma może erodować krawędzie oryginalnego materiału na większej głębokości. 
 

Rys. 2 Mechanizm ablacji laserowej dla laserów o impulsie (odpowiednio od lewej) mikro- i pikosekundowym.

Oprócz strefy wpływu ciepła i strefy przetopu, w wypadku laserów o dłuższych impulsach, otrzymujemy także mniej gładkie powierzchnie, szczególnie te frezowane laserem. Regularne struktury na powierzchni, niedokładne narożniki i pęcznienie powierzchni, powstające przy pracy lasera długoimpulsowego powodują, że powierzchnie obrobionego materiału stają się bardziej nieregularne, podczas gdy obróbka laserem pikosekundowym daje znacznie lepsze rezultaty. Możemy to zobaczyć na rysunku 2.

Systemy „direct write” lasera impulsowego, kształtują wiązkę generowaną przez laser tak, że efekcie mamy bardzo małą plamkę. Do kierowania tą wiązką, przesuwania jej po powierzchni obrabianego materiału, wykorzystywane są układy optyczne z lustrami i soczewkami. Ruch plamki po materiale przypomina ruchu frezu komputerowo sterowanej obrabiarki CNC. Główną różnicą przy trójwymiarowej obróbce z użyciem lasera, jest sposób interpretacji modelu CAD, który kładzie nacisk raczej na zdefiniowanie bryły materiału który należy usunąć niż na bryłę materiału, która ma pozostać po obróbce. Dzieje się tak ponieważ wydajność ablacji laserowej zależy od wielu parametrów, takich jak długość fali, energia impulsu i czas jego trwania, a najbardziej od samego materiału obrabianego. Różne materiały odparowują w różnym tempie, przy takich samych parametrach roboczych lasera, więc popularną praktyką jest wykonanie prób ablacji na analogicznym materiale, aby ustalić jej rzeczywistą charakterystykę. Komputerowy model trójwymiarowej bryły, zamieniany jest na warstwy o grubościach od kilkudziesięciu nanometrów do kilku mikronów, z których każda może mieć inny kształt przekroju, a obróbka laserem odbywa się warstwa po warstwie. Głębokość usuwanych warstw, w celu zapewnienia kontroli całego procesu, jest na bieżąco monitorowana.

Rys. 3 Obróbka prostopadła wiązka lasera (ściany skośne) i obróbka odchyloną wiązka lasera (ściany pionowe).

Promień lasera jest skupiany, przy pomocy odpowiedniej soczewki, tak, że jego kształt przypomina stożek (patrz rys.  3). Kąt tego stożka zależy od długości ogniskowej użytej soczewki i wynosi zwykle od 3 do 10 stopni, ideą tej technologii jest uzyskanie rosnącego  skoncentrowania wiązki, w kierunku wierzchołku stożka, z maksimum w jego wierzchołku, i malejącego dalej poza tym punktem. Stożek taki uniemożliwia tworzenie idealnie pionowych ścianek w tworzonym elemencie, chyba że używane urządzenie pozwala na takie odchylenie promienia lasera lub obrabianego materiału, aby tworząca stożka wycinała pionową ściankę (patrz rys. 3). Możliwe jest to jednak, tylko przy obróbce detali o niskim współczynniku kształtu (poniżej ok. 2) i tylko dla otworów o niedużej głębokości, dlatego w przypadku tworzenia elementów o głęboko wciętych detalach uzyskamy skośne ścianki i otwory. Jest to jednak w wielu przypadkach akceptowalne, szczególnie przy obróbce narzędzi do form plastikowych, gdyż otrzymujemy tu od razu wymagany kat zbieżności.

Wycinanie głębokich otworów lub szczelin o wysokim współczynniku kształtu (pomiędzy 2, a 10) jest szczególnie trudne, gdyż wymaga dopasowywania stożka światła lasera do tworzonej ścianki, dojdzie w końcu do takiej sytuacji, gdy laser zaczyna „zahaczać” o drugą krawędź otworu. W takim przypadku nie da się uniknąć zbieżności ścianek, która początkowo może być nieznaczna i wynosić 1 czy 2 stopnie, rośnie jednak ze wzrostem głębokości otworu. Plazma odpływając do krawędzi otworu, nadtapia i eroduje jego ścianki, powodując zwiększenie ich skosu przy powierzchni materiału (u góry). Dalsze pogłębianie otworu powoduje zwiekszenie absorpcji ciepła przez materiał i zakłócanie wiązki przez plazmę, aż w końcu całkowicie zatrzyma ona  proces ablacji . Możliwa do uzyskania głębokość otworu zależy od materiału, ale w niektórych rodzajach materiału możliwe jest odbicie zewnętrznej części promienia od ścianek otworu i skierowanie ich z powrotem do wiązki i przez to zwiększenie jej koncentracji. W niektórych przypadkach pozwala to zwiększyć uzyskiwaną głębokość otworu.

System Ablacji laserowej „Picolase 1000”

Rys. 4 System mikroobróbki laserem o impulsach pikosekundowych Picolase 1000 firmy Oxford Lasers, zainstalowany w MEC, Uniwersytet Cardiff.

Opisane tu urządzenie to wieloosiowa obrabiarka laserowa skonstruowana przez firmę Oxford Lasers Ltd z Didcot w Wielkiej Brytanii (patrz rys. 4). Została ona zaprojektowana pod kątem elastyczności i kontroli charakterystyki optycznej, jak i możliwości manipulacji obrabianym elementem i jego kontroli. Urządzenie używa fal o długości 355nm i 532nm, co w optymalnych warunkach pozwala uzyskać punkt skupienia o średnicy jednego mikrona, choć do większości zastosowań wystarczająca jest plamka o średnicy 6 mikronów. Pozwala to tworzyć skomplikowane elementy trójwymiarowe z dokładnością rzędu kilku dziesiątek mikronów i umożliwia obróbkę prostych elementów, takich jak płytkie otwory, czy rowki o szerokości poniżej 10 mikronów, we wszystkich materiałach, włącznie ze szkłem i kwarcem, z których ten ostatni jest praktycznie przeźroczysty dla laserów o większej długości fali. Zakres sterowania ruchem optyki, pozwala na wycinanie otworów o większych średnicach, natomiast praca z nieruchomą optyką pozwala na wiercenie głębokich otworów o małych średnicach.

Obrabiany materiał jest mocowany do wieloosiowej podstawy, która pozwala na ruchy we wszystkich trzech kierunkach z dokładnością 1 mikrona oraz na obroty wokół osi X i Y. Jednoczesne użycie tych funkcji pozwala na wycinanie pionowych ścianek. Promień lasera może być przesuwany po powierzchni elementu, a dodatkowo możemy przesuwać i przechylać sam element tak, aby stożek laserowy wycinał ścianki dokładnie według planu. Skomplikowane trójwymiarowe elementy, o pionowych ścianach, można tworzyć używając różnych ścieżek przejścia promienia lasera. Gładkość uzyskiwanej powierzchni zależy od rodzaju używanego materiału oraz od prędkości jego usuwania. Większa prędkość usuwania materiału wymaga impulsów o większej energii, ale może być przyczyną większych nierówności powierzchni. Można temu zapobiegać przez szybkie wycinanie zgrubne większych fragmentów materiału (o grubości do 3 lub 4 mikronów) i precyzyjne wykańczanie tworzonego modelu impulsami o mniejszej energii lub mniej skupioną wiązką (na głębokość kilkudziesięciu nanometrów).

System oparty na laserze pikosekundowym posiada wbudowany system sprzężenia zwrotnego, umożliwiający ciągłą kontrolę procesu obróbki. System ten jest oparty na czujniku precyzyjnie mierzącym względną wysokość obrabianej powierzchni. Pomiar kontrolny może być wykonywany, albo po każdym przejściu lasera, albo po całej serii przejść. Ma to  na celu zbadanie rzeczywistego postępu procesu usuwania materiału i właściwe sterowanie energią impulsu. Jest to bardzo przydatne, ponieważ moc impulsu lasera zmienia się nieco z upływem czasu, w zależności od temperatury materiału i otoczenia oraz innych ,nie dających się wyeliminować czynników.

Za pomocą oprogramowania 3D CAD można tworzyć modele najróżniejszych brył, które następnie przy pomocy zaawansowanego oprogramowania CAM są konwertowane na konkretną strategię cięcia, a ta może być modyfikowana ręcznie i dostosowywana do rodzaju materiału i innych specjalnych wymagań.

Konkluzje i zastosowania

Mikroobróbka laserem pikosekundowym ma przewagę techniczną i jakościową nad technikami opartymi na innych krótkoimpulsowych oraz na długoimpulsowych laserach. Jakość obrobionej powierzchni i brak stref zniszczonych termicznie są bardzo zbliżone do tych uzyskiwanych przy pomocy lasera femtosekundowego, natomiast przewyższają je pod względem kosztów działania i tempa pracy. Jakość uzyskiwanych powierzchni jest też lepsza od tych uzyskiwanych laserami o dłuższych impulsach (np mikrosekundowych), a osiągana wydajność jest komercyjnie akceptowalna. Doświadczenie pokazuje, że na przykład przy obróbce polimerów optycznych, laserem pikosekundowym, o długości fali 355nm ,rezultaty są dużo lepsze niż uzyskiwane jakąkolwiek inną technologią obróbki laserowej.

Rys. 5 Mikrofiltry medyczne.

Zaprezentowane urządzenie posiada wiele zastosowań, związanych z wytwarzaniem niewielkich elementów o finezyjnych kształtach lub tworzenia narzędzi formierskich, które można później  powielać w odpowiednim procesie replikacji polimeru. Zastosowania procesu obróbki laserem pikosekundowym obejmują między innymi wywarzenie małoinwazyjnych narzędzi chirurgicznych, elementów dla kontroli mikroprzepływów, mikrofiltrów (patrz rys. 5), części biosensorów, implantów i systemów dozowania leków, elementów mikrooptycznych i światłowodowych oraz wiele innych.