Měření teploty akumulace tepla v ultrakrátkém pulzním laserovém mikroobrábění

Ultrakrátké pulzní laserové mikroobrábění je ovlivněno akumulací tepla, která je výsledkem zbytkového tepla z předchozích laserových pulzů na povrchu vzorku. Až dosud většina prací analyzovala akumulaci pomocí numerického modelování. Předkládaná práce se zaměřila na vývoj a první použití systému měření teploty akumulace tepla přímo během procesů v časových rozsazích nanosekund a mikrosekund. Měřicí systém byl založen na infračervené radiometrii a obsahoval rychlý fotodetektor HgCdTe chlazený kapalným dusíkem a paraboloidní zrcadla. Mikroobrábění drážek bylo prováděno pomocí 14 W pikosekundového laseru s různými energiemi v pulzu, opakovacími frekvencemi a rychlostmi skenování. Kalibrace měřicího systému byla provedena za účelem získání teplot z měřeného signálu. Kalibrace nebyla jednoduchá kvůli velmi malé laserové stopě (25 μm), malému signálu a změně velikosti vyhřívané oblasti pro nízké rychlosti skenování. Získaná teplota akumulace tepla se pohybovala od 300°C do 2600°C pro rychlosti skenování od 8 m/s do 0,07 m/s a pulzní energie od 0,1 µJ do 100 µJ. Podle obrázků ze skenovacího elektronového mikroskopu (SEM) byl materiál již částečně roztaven (malé kapičky na hranicích) pro nízkou rychlost skenování. Drsnost povrchu a účinnost ablace byly stanoveny pomocí 3D konfokálního laserového mikroskopu. Byla nalezena dobrá korelace mezi drsností a teplotou akumulace tepla, což potvrdilo platnost kalibrace. Naměřená teplota akumulace tepla byla překvapivě nejvyšší pro nejúčinnější ablační parametry a současně byla dosažena nízká drsnost povrchu.Ultrashort pulse laser micromachining is affected by the heat accumulation resulting from the residual heat from previous laser pulses on the sample surface. Up to now, most of the works analysed the accumulation by numerical modelling. The present work focussed on development and application for the first time of a measurement system of heat accumulation temperature directly during the processes in nanosecond and microsecond time ranges. The measurement system was based on the infrared radiometry and contained liquid nitrogen cooled fast HgCdTe photodetector and paraboloid mirrors. Micromachining of grooves was done using a 14 W picosecond laser with different pulse energies, repetition frequencies and scanning speeds. Calibration of the measurement system was done in order to obtain temperatures from the measured signal. The calibration was not straightforward due to very small laser spot (25 μm), small signal and changing of the size of the heated area for low scanning speeds. Obtained heat accumulation temperature ranged from 300°C to 2600°C for scanning speeds from 8 m/s to 0.07 m/s and pulse energies from 0.1 µJ to 100 µJ. According to the scanning electron microscope (SEM) images, the material was already partially melted (small droplets on boarders) for low scanning speeds. Surface roughness and ablation rate were determined by 3D confocal laser microscope. Good correlation was found between the roughness and the heat accumulation temperature, thus confirming the validity of calibration. Measured heat accumulation temperature was surprisingly the highest for the most efficient ablation parameters and at the same time low surface roughness was achieved