Microtaglio di lamiere sottili con laser al femtosecondo

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INTRODUZIONE 
 
 
Questo lavoro di tesi si pone l’obiettivo di analizzare e studiare la radiazione laser e in 
particolare quella pulsata con durata delle pulsazioni dell’ordine dei femtosecondi, con le 
relative applicazioni. Lo studio delle principali tecniche di lavorazione ed in particolare del 
microtaglio laser di lamiere sottili di acciaio inossidabile sono il principale focus. 
L’elaborato consta di cinque capitoli: il primo riguarda una panoramica sul laser, in che modo 
e con quali differenti tecniche si può giungere alla formazione di impulsi di diversa durata e le 
principali caratteristiche geometriche e non, utili ai fini di comprendere meglio la fase 
sperimentale; il secondo capitolo tratta i principali campi applicativi delle microlavorazioni 
laser ad impulsi nel range del femtosecondo, tra le quali microforatura e microfresatura; nel 
terzo capitolo invece viene esposto in che modo tale tecnica laser si applica nel microtaglio 
ed, in particolare, di lamierini metallici (cenni su materiali non metallici sono stati esposti), 
facendo alcuni esempi di lavorazioni ed enfatizzando le migliorie importate dagli impulsi 
ultrabrevi; successivamente, nel quarto capitolo, vengono esposti i procedimenti e gli studi 
effettuati per giungere alla realizzazione di alcuni lamierini di acciaio (AISI 304) su cui sono 
state effettuate operazioni di microtaglio tramite tecnologia al femtosecondo, saranno esposte: 
caratteristiche tecniche operative della macchina, progettazione dell’esperimento tramite 
piano sperimentale, ricerca della profondità di campo della macchina utilizzata, geometrie e 
dimensioni tagliate durante le prove, confronti ed analisi qualitativa tra le varie prove 
effettuate; l’ultimo capitolo, il quinto, rappresenta le conclusioni dell’intero lavoro di tesi. 
Lungo il corso di tale lavoro verranno studiate le caratteristiche operative e di progetto delle 
principali tecniche di realizzazione degli impulsi laser, andando alla ricerca dei parametri che 
ne caratterizzano il funzionamento. Tra i principali parametri verranno enunciati: la potenza 
della sorgente laser, la velocità di lavorazione e, di conseguenza, il relativo valore di 
overlapping, la frequenza di ripetizione degli impulsi e la durata del singolo impulso. Esempi 
sulle diverse tecniche e sulle principali lavorazioni verranno esposti, facendo particolare 
evidenza ai vantaggi e alle migliorie che gli impulsi al femtosecondo comportano. Verranno 
analizzate applicazioni industriali come microforatura e microfresatura e il relativo modo in 
cui il laser agisce e permette l’asportazione di materiale, con conseguente proposta di esempi 
pratici delle tipiche lavorazioni (microfori, stent, nozzles). Nel terzo e nel quarto capitolo
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verrà presentata un’analisi tecnica ed operativa sui microtagli di lamiere sottili, 
principalmente di materiali metallici come acciai, tramite laser pulsato con durata degli 
impulsi di 220 fs. Il terzo capitolo corrisponde al background teorico del quarto in quanto 
vengono esposte le modalità con cui il microtaglio avviene e l’influenza che i diversi 
parametri hanno sulla qualità e sulle dimensioni caratteristiche dei provini.  
Nel capitolo sperimentale invece verranno utilizzate le informazioni trovate in bibliografia e 
gli esperimenti effettuati per trovare il set di parametri che al meglio ottimizza le lavorazioni 
di microtaglio. Tra tutti i processi effettuati, infine, verranno esposte le lavorazioni migliori, 
tramite acquisizioni al microscopio ottico, e analizzati confronti dimensionali tra il modello 
progettato e il lavoro finale e tra le varie lavorazioni stesse.
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ABSTRACT 
 
 
The aim of this thesis is to analyse and to study the pulse laser radiation with pulse duration in 
the order of femtoseconds, focusing on laser micro-cutting of thin stainless steel sheets. The 
work consists of five chapters: the first one provides an overview on the laser, in which the 
modality and the different techniques of development of pulses of different duration and the 
main geometric characteristics are illustrated, with the purposes of better understanding the 
experimental phase. The second chapter covers the main fields of application of laser 
micromachining with pulses in the femtosecond range, including micro-drilling and micro-
milling; in the third chapter it is shown how ultra-short pulse duration laser radiation is 
employed in micro-cutting, especially of metal sheets (short account of non-metallic materials 
have been exposed), doing some examples of processes and emphasizing the improvements 
imported by ultra-short pulses; later, in the fourth chapter, will set out the procedures and 
studies to realize some plates of stainless steel (AISI 304) on which were made processes 
through micro-cutting femtosecond technology, will be displayed: operational specifications 
of the machine, experimental design using an experimental plan, research of the field depth of 
the used machine, geometries and dimensions cut during the tests, comparisons and 
qualitative analysis of the various tests carried out; the last chapter, the fifth, is the conclusion 
of the whole thesis. 
Along the course of this work, the operational and design characteristics of  main processes 
with laser pulses techniques have been studied, seeking the main parameters that characterize 
the operations. Different process parameters have been considered in this study such as the 
laser power, the machining speed, the overlapping, the pulse repetition rate and the single 
pulse duration. Examples of the different techniques and the main works will be on display, 
with particular emphasis on the advantages and improvements that the pulses on femtosecond 
range fee. Industrial applications such as micro-drilling and micro milling and the relative 
way that laser acts and allows the removal of material will be analysed, showing practical 
examples of typical processes (micro-holes, stents, nozzles). In the third and fourth chapter, a 
technical and operational analysis on micro-cut of thin metal sheets has been performed, 
mainly of metallic materials such as steels, by means of pulsed laser with pulse duration of 
220 fs. The third chapter corresponds to the theoretical background of the fourth. In fact, the
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mode in which micro-cutting takes place and the influence that different parameters have on 
the quality and size of specimens characteristics, are exposed. In the experimental section, the 
information found in literature and experiments to find the set of parameters that optimizes 
micro-cutting have been used. Finally, the best cut has been analysed by on optical 
microscope with the purpose to compare the designed dimensional model with the 
experimental one.
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CAPITOLO  1 
 
 
Panoramica sul laser 
 
 
1.1  Principio di funzionamento 
 
Come già anticipato, il laser è una radiazione elettromagnetica; secondo la teoria ondulatoria 
della meccanica quantistica, essa può essere vista come un onda caratterizzata da un campo 
elettrico ed uno magnetico che si propagano nel tempo con legge sinusoidale, trasportando 
ciascuno l’energia della radiazione, ripartita a metà. 
Un fascio laser è generato da un materiale sorgente definito “mezzo attivo”. Per comprendere 
come una sorgente emetta un fascio laser bisogna prima capire il concetto di emissione 
stimolata e la differenza di quest’ultima da quella spontanea. 
 
 
1.1.1  Emissione spontanea 
 
Nota già ai tempi di Einstein, è il processo per cui un elettrone decade spontaneamente (in 
assenza di perturbazioni esterne) da un livello energetico maggiore ad uno inferiore, 
emettendo con una certa probabilità un fotone di energia pari alla differenza di energia dei due 
livelli (figura 1.1). 
Principalmente, in fase di emissione spontanea, si può notare che: 
• La fase del fotone emesso è completamente casuale; 
• L’ampiezza e l’intensità del campo elettromagnetico crescono linearmente con il 
numero dei fotoni emessi.
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Figura 1.1  
 
 
 
1.1.2  Emissione stimolata (o indotta) 
 
Ignota ai tempi di Einstein, è il processo per cui un elettrone è indotto a transitare, con una 
certa probabilità, da un livello energetico maggiore ad uno minore. Ciò avviene a causa della  
presenza di un campo elettromagnetico esterno con energia pari circa alla differenza di 
energia dei due livelli (figura 1.2). 
Le caratteristiche principali di tale emissione sono: 
• Il fotone emesso è totalmente coerente con quello incidente, cioè fase, frequenza e 
polarizzazione coincidono; 
• L’ampiezza del campo elettromagnetico cresce linearmente, ma l’intensità cresce 
quadraticamente col numero di fotoni emessi. 
 
 
 
Figura 1.2
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Se si riuscissero ad avere condizioni per cui l’emissione stimolata prevale sia su quella 
spontanea che sull’assorbimento di radiazione, si potrebbero avere sorgenti luminose coerenti 
e molto piø intense di quelle tradizionali. Questo è quello che succede nel momento in cui si 
produce un fascio laser attraverso il fenomeno della “inversione di popolazione”. 
In fisica tale fenomeno si verifica quando, in un sistema di corpi elementari (i.e. atomi), ci 
sono piø corpi in uno stato eccitato che corpi negli stati di minore energia. Di conseguenza, in 
sistemi a soli due livelli, non si potrà mai avere inversione di popolazione, in quanto vi è un 
uguale probabilità di salto energetico in entrambi i livelli. 
 
 
1.1.3  Sistemi a tre livelli di energia 
 
Per spiegare il fenomeno dell’inversione di popolazione, si prenda in considerazione un 
sistema a tre livelli energetici crescenti, dove la popolazione totale si trova nel livello ad 
energia inferiore. 
Sottoponendo gli atomi ad una radiazione ed eccitando gli atomi dallo stato fondamentale a 
quello ad energia maggiore (questo processo è definito pompaggio), si avrà un aumento di 
popolazione in quest’ultimo livello. In questo modo gli atomi transitano velocemente 
attraverso il livello 3 per poi accumularsi nel 2 , in quanto i tempi di transizione dal 3 al 2 
sono inferiori rispetto a quelli dal 2 all’1 di due ordini di grandezza, in piø solo il rilassamento 
dal 2 all’1 ha effetti radioattivi, cioè emissione di fotoni, mentre quello dal 3 al 2 risulta essere 
una trasmissione di energia sotto forma di moto vibrazionale al materiale circostante. A 
questo punto si verifica il fenomeno fisico di inversione di popolazione, ovvero se piø della 
metà dell’intera popolazione di elettroni si trova nel livello 2 con conseguente emissione 
stimolata di radiazioni. 
PoichØ almeno metà della popolazione degli atomi deve essere eccitata per ottenere 
l’inversione di popolazione, il mezzo attivo deve subire un pompaggio molto elevato. Si può 
verificare che sistemi a 4 o piø livelli offrono rendimenti di emissione migliori, con un 
apporto di energia esterna fornita decisamente inferiore.