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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.85.2010.tde-10082011-150643
Document
Author
Full name
José Tort Vidal
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2010
Supervisor
Committee
Rossi, Wagner de (President)
Carreño, Marcelo Nelson Paez
Samad, Ricardo Elgul
Title in Portuguese
Desenvolvimento de um sistema opto-mecânico para micro usinagem com laser de femtosegundos
Keywords in Portuguese
laser de fentossegundos
Limiar de Ablação
micro usinagem
sistema opto-mecânico
Abstract in Portuguese
A usinagem de estruturas micrométricas pode ser feita com pulsos laser de nano, pico ou fentossegundos. Destes, porém, somente os mais curtos podem resultar em uma interação não térmica com a matéria, o que evita a fusão, formação de rebarba e zona afetada pelo calor. Devido à sua baixa potência média, contudo, a sua utilização na produção em massa somente pode ser considerada em casos muito especiais, isto é, quando o processamento não-térmico é essencial. Este é o caso da usinagem de semicondutores, aços elétricos, produção de MEMS (sistemas micro eletro-mecânicos), de micro canais e diversos dispositivos médicos e biológicos. Assim, visando a produção destes tipos de estruturas, uma estação de trabalho foi construída com capacidade de controlar os principais parâmetros de processo necessários para uma usinagem micrométrica com laser de pulsos ultracurtos. Os principais problemas deste tipo de estação são o controle da fluência e do posicionamento do ponto focal. Assim, o controle do diâmetro do feixe (no foco) e da energia devem ser feitos com grande precisão. Além disso, o posicionamento do ponto focal com precisão micrométrica nos três eixos, também é de fundamental importância. O sistema construído neste trabalho apresenta soluções para estes problemas, utilizando diversos sensores e posicionadores controlados simultaneamente por um único programa. A estação de trabalho recebe um feixe vindo de um laser de pulsos ultracurtos localizado em outro laboratório, e manipula este feixe de maneira a focalizá-lo com precisão na superfície da amostra a ser usinada. Os principais parâmetros controlados dinamicamente são a energia, o número de pulsos e o posicionamento individual de cada um deles. A distribuição espacial da intensidade, a polarização e as vibrações também foram medidas e otimizadas. O sistema foi testado e aferido com medidas de limiar de ablação do silício, que é um material bastante estudado neste regime de operação laser. Os resultados, quando confrontados com a literatura, mostram a confiabilidade e a precisão do sistema. A automatização, além de aumentar esta precisão, também aumentou a rapidez na obtenção dos resultados. Medidas de limiar de ablação também foram realizadas para o metal molibdênio, levando a resultados ainda não vistos na literatura. Assim, de acordo com o objetivo inicial, o sistema foi desenvolvido e está pronto para utilização em estudos que levem à produção de estruturas micrométricas.
Title in English
Development of an opto-mechanical system for micro machining with femtosecond laser
Keywords in English
femtosecond laser
micro machining
opto-mechanical system
threshold ablation
Abstract in English
Machining of very small structures has been made with nano, pico and femtosecond pulsed lasers. Among then, only femtosecond lasers may result in nonthermal interaction with matter, avoiding melting, formation of slag and heat affected zone. Mass production with such lasers yet can only be considered in cases where nonthermal effects are of prime importance. This is the case in machining of semiconductors and electric steels, the production of MEMS, microchannels, and many medical and biological devices. Hence, a workstation for production of such kind of microstructures was built with the capability of controlling the main parameters necessary for the machining process. Control of the laser fluence and focus positioning are the main concern in this kind of processing. So, the control of the laser beam diameter (in the focus) and of the pulse energy must be very precise. Positioning of focal point with micrometric precision in the three axes is also fundamental. The system built in this work provides solutions for these problems incorporating several sensors and positioning stages simultaneously controlled by a single software. The workstation receives a laser beam coming from another laboratory and delivers it to the surface of the sample managing with precision the main process parameters. The system can dynamically control the energy, number of pulses and positioning for each individual laser spot. Besides, the spatial distribution of the laser intensity, polarization and vibrations were also measured and optimized. The system was tested and calibrated with threshold ablation measurement for silicon, which is well studied in this regime of laser operation. The results where compared with data found in the literature and attested the reliability and precision of the system. Besides the increase in precision, the automation also turned much faster the data acquisition. Threshold ablation for metallic molybdenum was also obtained and resulted in data not found in the literature yet. Concluding the initial goal, the workstation was developed and is ready to be used in studies that can lead to production of micrometric structures.
 
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Publishing Date
2011-08-15
 
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