שיטה חדשנית בייצור nanosecond flash lamp pumped ND:YAG לייזר לפי דרישות לקוח
במאמר זה חברת Crytur מציגה שיטה חדשנית ויעילה לעיצוב ראש לייזר קומפקטי המייצר פולסים אינפרא אדומים בננו שניות.
מהוד הלייזר מסוג flashlamp-Pumped ND:YAG ROD ו CR4 +: YAG Q-Switching פסיבי.
יתרון השיטה, הינו שימוש בהדפסת תלת מימד של החלקים המכניים עבור ראש הלייזר.
יתרון זה מאפשר התאמה אישית של ראש הלייזר למשתמש בעוד העליות של הייצור מופחתות בשל תהליך ייצור זול ייחסית.
אנו נראה בכתבה כי השימוש בהדפסת תלת מימד לא משפיע באופן משמעותי על הביצועים של ראש הלייזר. וכי היתרון הגדול בעלויות נמוכות בהדפסת תלת מימד, גורם יתרון גדול עבור יצרנים המפתחים מוצרי לייזר ns לפי דרישות הלקוח.
הקדמה
פיתוח וייצור חלקים בהדפסת תלת מימד מציגה אלטרנטיבה חסכונית לייצור הקונבנציונאלי של עיבוד שבבי של מתכות. הדפסת תלת מימד מאפשרת ייצור קל וזול יחסית של חלקים מורכבים וחלולים.
שימוש בהדפסה תלת מימדית בתעשיית הרכיבים עבור יצור ראשי לייזר מאפשר מהירות וגמישות בעיצוב אב טיפוס.
הבעיה העיקרית הקשורה לשימוש בהדפסה רכיבים בהדפסה תלת מימדית הנה היציבות של ביצועי הלייזר. במיוחד ביצועים הקשורים לשינויים בטמפרטורת הסביבה.
מאמר זה מתאר פיתוח בסיסי של ראש הלייזר, בדיקות יציבות לטווח בינוני ואופטימיזציה של ראש הלייזר כדי לשפר
ביצועים ויציבות של ראש הלייזר תוך התמקדות במוד הרוחבי של קרן הלייזר.
ראש הלייזר עיצוב ואופטימיזציה
ראש הלייזר
איור 1 מציג את המודל של ראש הלייזר.
מודגשים בו הרכיבים המודפסים אקרילניטריל בוטאדיאן סטירן ABS). )
בחרנו להשתמש ב ABS אשר נפוץ בהדפסה תלת מימד בגלל התנגדותו וקשיחותו. השתמשנו
DPABS3-01-BK עם צפיפות 1.01 גרם \ ס”מק ב21.5 מעלות צלזיוס ועוצמת עמידות של kJ /m.sq16
השתמשנו בלייזר שאיבה צדדית מסוג ND: YAG ROD 3 × 50 מ”מ (קוטר × אורך) עם ריכוז של 1.1%.
גל הדפורמציה הקדמי של מוט ND: YAG ב632 ננומטר הוא 0.09 λ ואסטיגמציה פחותה מ 0.01 λ,
ראה איור 2. Q-Switching מסופק על ידי Cr4 +: YAG בליעה ברוויה.
מהוד הלייזר כולל מראה קעורה ברדיוס של 7 מ ו output coupler מישורי עם 50% החזרה ב 1.06 מיקרומטר.
אופטימיזציה של המהוד
בזמן הרכבת המהוד נבדקו מספר אפשרויות Q-Switching מסוג Cr: YAG עם בליעה עד רוויה וערכי מעבר התחלתיים בטווח של 20% – 40%. כמו כן נבדקו שילובים שונים של מראות קדמיות ואחוריות.
שיפור משמעותי ביציבות המוד של הרזונטור ניתן להשיג על ידי שימוש במראה מסוג GRM (מראה קדמית עם החזרה מדורגות), המספק תיקון יעיל בפרופיל הקרן היוצאת.
הדגמה של שימוש במראה רפלקטיבית מדורגת מוצג באיור 3.
איור 4 מציג תוצאות של אנרגית יציאה ופרופילים שונים של האלומה המתקבלות בקונפיגורציות שונות, אשר כולם מיצגים פילוג אופטי באוויר לאחר מקוד בכל הפולסים.
בהתבסס על התוצאות, נבחרו שלוש קונפיגורציות שונות של הלייזר, כלומר 1, 2 ו -5, אשר זוהו כאופטימליות עם אנרגיות פלט של 40,30, ו 17.5 mJ, וקוטר אלומה של 1.2, 1.6 ו 2.0 מ”מ, בהתאמה.
יציבות של ראש לייזר עם הדפסה תלת מימדית וכיוון רכיבים
כדי לבדוק יציבות המערכת הכוללת חלקים אשר מודפסים בתלת מימד בשינויי טמפרטורה,
עקבנו אחר ההשפעה של thermocyccle על האנרגיה של פולס היציאה ופרופיל העוצמה של
קרן הלייזר.
לצורך בדיקת היציבות התרמית של המהוד, השתמשנו במראה קעורה רגילה (לא מדורגת) כמראה אחורית. המתווה של הניסוי מופיע בתרשים 5.
בכדי לראות את הפרופיל של הקרן הנפלטת השתמשנו במכשיר של חברת דומא אופטרוניקה מסוג
CCD SpotOnCCD (Duma Optronics) אשר הונח ביציאה ממקור הלייזר.
אנרגית היציאה נמדדה בעזרת מכשיר מדידה של חברת Ophir optronics עם חיישן ראש פירואלקטרי מסוג PE50BF-C ובוצעה ע”י הסטה של 4% מקרינת הלייזר אל החיישן הפירואלקטרי באמצעות טריז זכוכית.
לפני בצוע thermocycle פליטת האנרגיה של הלייזר היתה 21 mJ בקצב של 1Hz
יציבות פולס לפולס הייתה 5%. משך הפולס של הלייזר הוא 6 ns.
לאחר המדידה הראשונית, ראש הלייזר עבר תהליך של thermocycle, הראש
קורר מטמפרטורת החדר ל – 20 ° C ונשאר כך למשך 12 שעות, ולאחר מכן ראש הלייזר
חומם עד +21 מעלות צלזיוס., חזרנו על המדידות של האנרגיה ופרופיל הקרן ללא כיוון מחדש של הלייזר.
אנרגיית היציאה של ראש הלייזר ירדה במקצת, מ 21 ל 18 mJ, עקב תהליך ה termocycle
כמו כן, היציבות של pulse to pulse התדרדרה מעט, מ 5 ל -10%.
איור 6 מציג את פרופילי הקרן לפני (א) ולאחר (ב) thermocyccle. . כפי שניתן לראות,
יציאה מכיוון עקב thermocycling היא מינורית.
תוצאות המדידה מראות כי יציבות הטמפרטורה של ראש הלייזר המורכב
בטכניקת הדפסה תלת מימדית היא סבירה וכי הביצועים של ראש לייזר לא ירדו משמעותית גם לאחר שינוי דרמטי
בטמפרטורת הסביבה, שהוא רחוק משנויים בתנאי סביבה רגילים.
סיכום
חברת Cryturבדקה עיצוב חדשני של ליזר קומפקטי מסוג passively Q-Switched ND: YAG
הכולל חלקים מובנים בהדפסת תלת מימדית מפולימר תרמופלסטי עמיד מסוג ABS.
בדקנו את יציבות האנרגיה ופרופיל הקרן של ראש הלייזר בחשיפה לטווח גדול של שינויי טמפרטורה. המדידות הראו יציבות מספקת כפי שניתן לצפות מראש ליזר מורכב מחלקי מתכת המיוצרים על ידי עיבוד שבבי קונבנציונאלי.
מאמר זה זה מנסה להראות כי ניתן להשתמש ביתרונות של הדפסת תלת מימד לעיצוב Prototype של ראש ליזר במהירות וחיסכון בעלויות ייצור של חלקים מורכבים, מבלי לפגוע באיכות ראש הלייזר.