Traitement des interférences laser de China Harsle

Aspects laser et matériaux

Comme mentionné précédemment, les modèles d'interférence sont obtenus à partir des faisceaux cohérents. Les poutres incohérentes n'interfèrent pas pour produire des franges sombres et vives (en raison de la modulation d'intensité dans l'onde résultante). La cohérence temporelle et spatiale des faisceaux doit être préservée pour réaliser le modèle d'interférence. La cohérence spatiale est liée à la corrélation entre deux points sur le même front d'onde, tandis que la cohérence temporelle est liée à la corrélation de points similaires sur différents fronts d'onde. La cohérence spatiale des faisceaux est grandement influencée par la présence d'un certain nombre de modes longitudinaux dans la sortie laser (Engleman et al. 2005). Généralement, la perte de cohérence se produit avec le nombre croissant de modes longitudinaux. La figure 11.3 présente l'influence d'un certain nombre de modes longitudinaux sur la visibilité des franges dans l'expérience interférométrique. Comme indiqué sur la figure, la visibilité des franges diminue avec la différence de chemin pour le fonctionnement multimode du laser. Ainsi, dans les opérations multimode, la différence de chemin admissible est limitée (Ready 1997). La cohérence temporelle est liée à la bande passante spectrale de la source. Les bandes plus étroites entraînent un temps de cohérence plus long. Le temps de cohérence (? T) est exprimé comme le réciproque de la largeur de ligne. La longueur de cohérence (? X) est ensuite donnée par le produit de la vitesse des vagues (C) et du temps de cohérence (? T). La longueur de cohérence est à nouveau influencée par le nombre de modes opérationnels. Par exemple, la longueur de cohérence typique du laser multimode HE - NE est dans la plage de 20 cm, tandis que la longueur de cohérence typique du laser HE - NE à mode unique se trouve dans la plage de 100 000 cm (Ready 1997).

Le type de source laser détermine le modèle d'interférence produit sur la surface du matériau. Les paramètres laser les plus importants sont la longueur d'onde laser et la

Fig. 11.3 Variation de la visibilité des franges avec différence de chemin pour un laser fonctionnant avec n modes longitudinaux dans un

interférométriqueexpérience. (Réimprimé de Ready 1997. avec permission. Copyright Elsevier.)

Fig. 11.4 Variation de l'espacement des franges théoriques avec un angle entre les faisceaux interférents pour certaines longueurs d'onde courantes des lasers utilisés

dans le traitement des matériaux. (Réimprimé d'Engleman et al. 2005. avec permission. Copyright the Minerals, Metals and Materials Society.)

Angle entre les poutres interférentes. Ces paramètres déterminent l'espacement des franges en fonction de l'équation. (11.2). La figure 11.4 présente la variation théorique de l'espacement des franges avec un angle d'interférence pour certaines longueurs d'onde courantes utilisées dans le traitement des matériaux laser. La figure indique que pour une longueur d'onde donnée du laser, un espacement des franges plus court est produit avec les faisceaux interférant à grand angle. La figure indique également que des longueurs d'onde plus courtes (266, 355, 532 et 1 064 nm) produisent un espacement des franges qui est proportionnellement plus petit que celui produit par des lasers de longueur d'onde plus longue (10,6? M). La limite physique physique de l'espacement des franges selon l'équation. (11.2) est la moitié de la longueur d'onde du laser. L'espacement des franges influence grandement la résolution spatiale des caractéristiques à la surface du matériau à travers la combinaison d'effets tels que les effets physiques, chimiques et métallurgiques (Engleman et al. 2005). En plus de la longueur d'onde et de l'angle entre les faisceaux interférents, l'autre paramètre laser important est la fluence laser (densité d'énergie). La fluence laser est déterminée par la puissance laser, la surface irradiée et le temps d'irradiation. La fluence laser ainsi que les propriétés thermophysiques des matériaux déterminent la distribution de la température dans les matériaux. Les distributions de température dans les matériaux pendant le traitement de la surface du laser sont généralement obtenues par la solution de l'équation de Fourier de transfert de chaleur.

Où t = t (x, z, t) est la température en position (x, z) au temps t; R, K et CP sont la densité, la conductivité thermique et la chaleur spécifique du matériau respectivement;sont la chaleur absorbée, la chaleur de fusion et la chaleur devaporisation respectivement. La quantité de chaleur absorbée par le matériau dépend de l'absorptivité du matériau qui est déterminée par divers facteurs liés à la matériau et à la surface tels que la rugosité de surface, la contamination de la surface, l'angle d'inclinaison, etc. La solution de l'équation de transfert de chaleur donne la distribution de température En fonction des paramètres laser et des propriétés des matériaux. Pour un cas simplifié de conduction ondimensionnelle sans effets de convection et de rayonnement, la solution de l'équation de transfert de chaleur peut être réorganisée pour estimer l'énergie requise pour produire une seule frange d'une taille de caractéristique de surface particulière.

La région de la surface modifiée par fusion, ablation, etc., détermine la taille de la caractéristique (d) qui peut être créée à la surface. Pour obtenir le motif périodique distincte bien défini, la taille de la caractéristique doit être égale ou plus petite que l'espacement des franges (D). À mesure que la conductivité du matériau augmente, la chaleur est rapidement dissipée, augmentant ainsi la zone modifiée par le modèle d'interférence. Pour les matériaux de conductivité faible, les effets thermiques dus à l'intensité modulée sont limités à des régions très étroites, entraînant des tailles de caractéristiques plus petites que l'espacement des franges (Fig. 11.5). À mesure que la conductivité du matériau augmente, la taille de la caractéristique s'approche de l'espacement des franges. La figure 11.5 indique également l'effet de l'augmentation de l'angle d'interférence sur l'espacement des franges. Sur la base de l'analyse de transfert de chaleur discutée dans la section 11.2, le tableau 11.1 fournit la quantité calculée d'énergies nécessaires pour produire des tailles de caractéristiques de surface égales aux espacements de frange d'interférence pour une variété de matériaux irradiés avec certaines sources laser courantes. Le tableau fournit donc les lignes directrices pour la sélection de paramètres de traitement laser appropriés pour atteindre les structures géométriques souhaitées dans un matériau donné en irradiant avec un modèle d'interférence laser (Engleman et al. 2005).

Aspects de conception d'interféromètre

Les conceptions typiques d'interféromètre se composent généralement d'un télescope en expansion de faisceau (BET), de l'optique interféromètre (séparateurs de faisceaux et d'un ensemble de miroirs) et de la concentration de l'optique. BET détermine la taille du faisceau à travers l'interféromètre et détermine ainsi la fluence énergétique à la surface de l'échantillon. Un faisceau de laser est ensuite divisé par un séparateur de faisceau en plusieurs faisceaux qui sont ensuite superposés à la surface de l'échantillon

Fig. 11.5 Effet de l'angle entre les faisceaux et la conductivité du matériau sur l'espacement des interférences (D) et la taille de caractéristique (D)

obtenu à la surface.(Réimprimé d'Englemanet al. 2005. avec permission. Copyright the Minerals,Société des métaux et des matériaux.)

Wsing un ensemble de miroirs. Le contraste entre les franges brillantes et sombres dans le motif d'interférence est déterminée par la distribution d'intensité dans l'onde résultante. La différence de chemin optique entre les ondes interférentes est déterminée par la différence de longueur des bras d'interféromètre. La différence de chemin optique doit être inférieure à la longueur de cohérence pour maintenir la cohérence temporelle. La différence de chemin optique détermine également la définition du motif. Si un bras de l'interféromètre est plus court que l'autre, le faisceau du bras plus court arrivera d'abord à la surface de l'échantillon initiant ainsi les modifications de surface à la surface de l'échantillon. Pour un tel cas, le temps d'interaction entre les faisceaux diminuera. La conception de l'interféromètre doit être suffisamment flexible pour permettre le réglage de tout angle entre les faisceaux interférents avec un ajustement mineur de l'angle d'incidence et le mouvement des miroirs (Engleman et al. 2005). Comme décrit précédemment, pour une longueur d'onde donnée du faisceau laser, l'espacement de la distribution d'intensité est déterminé par l'angle entre les faisceaux interférents. Plus l'angle est petit entre les poutres interférentes, plus l'espacement est grand dans le motif. Ainsi, la limite supérieure de l'espacement est déterminée par le plus petit angle réalisable avec l'optique de l'interféromètre. Pour un espacement plus grand, des éléments optiques spéciaux sans cadre pourraient être conçus pour permettre l'angle d'interférence plus petit (Daniel 2006). En outre, un ensemble d'optiques de focalisation peut être incorporé pour ajuster la fluence énergétique à la surface d'imagerie de l'échantillon.