轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
深度解讀
皮秒激光器工業(yè)微加工應(yīng)用優(yōu)勢(shì)力量
星之球科技 來(lái)源:深圳市木森科技有限公司2015-03-25 我要評(píng)論(0 )
眾所周知,皮秒脈沖激光器在廣泛的工業(yè)微加工應(yīng)用方面具有眾多優(yōu)勢(shì)。尤其值得一提的是,它幾乎沒(méi)有熱影響區(qū),可以處理的材料范
眾所周知,皮秒脈沖激光器在廣泛的工業(yè)微加工應(yīng)用方面具有眾多優(yōu)勢(shì)。尤其值得一提的是,它幾乎沒(méi)有熱影響區(qū),可以處理的材料范圍極其廣,甚至包括那些在可見(jiàn)光和近紅外光區(qū)透明的材料。不過(guò),在早期的時(shí)候,皮秒激光器尚不具備必要的信賴(lài)度、低經(jīng)營(yíng)成本,也缺乏在許多生產(chǎn)環(huán)境中實(shí)際應(yīng)用的實(shí)踐參數(shù)。而現(xiàn)在新一代的工業(yè)皮秒激光器可以實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)所具備的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。本文探討了納秒和皮秒激光加工之間的主要差異,介紹了當(dāng)前可用的皮秒激光源的基本體系結(jié)構(gòu)以及在工業(yè)中的典型應(yīng)用。
皮秒Vs納秒
微加工通常針對(duì)的是微米級(jí)別的加工需求,如孔和槽,同時(shí)還要避免對(duì)周邊材料造成熱損傷。換句話(huà)說(shuō),微加工的目的就是獲得精細(xì)、干凈的切口,而且熱影響區(qū)(HAZ)最小。
用激光進(jìn)行精密鉆孔、劃片或者切割有兩種基本機(jī)制。許多傳統(tǒng)應(yīng)用主要依賴(lài)于紅外和可見(jiàn)光調(diào)Q激光器,它們的脈寬在數(shù)十納秒范圍,通過(guò)光熱作用來(lái)移除材料(見(jiàn)圖1)。在這種情況下,聚焦的激光光束是密閉的、強(qiáng)度高的熱源,它會(huì)迅速加熱目標(biāo)材料并最終使之汽化。
這種方法的優(yōu)點(diǎn)是它可以快速去除相對(duì)較多的目標(biāo)材料(特別是調(diào)Q激光器通常以數(shù)千赫茲的重復(fù)頻率運(yùn)行)。而且,眾所周知的是納秒激光技術(shù)具有完善的技術(shù)基礎(chǔ),來(lái)源高度可靠,運(yùn)營(yíng)成本也很有吸引力。不過(guò),對(duì)那些要求最苛刻的加工任務(wù)來(lái)說(shuō),在熱影響區(qū)的大小、頻繁產(chǎn)生的重鑄材料或者是表面涂層的分層開(kāi)裂等方面仍然存在一些限制。
激光去除材料的第二種機(jī)制建立在光化學(xué)燒蝕(圖1)基礎(chǔ)上。在這種情況下,激光光子直接破壞目標(biāo)材料的結(jié)合鍵。這相對(duì)來(lái)說(shuō)是一種“冷”加工過(guò)程,因而熱影響區(qū)很小。另外,整個(gè)加工過(guò)程很干凈,沒(méi)有重鑄材料,因而很少需要后期再加工。
紫外(UV)激光光子的高能量意味著在很多材料中它們可以驅(qū)動(dòng)光化學(xué)燒蝕的發(fā)生。因此,紫外調(diào)Q激光器通過(guò)光化學(xué)燒蝕來(lái)去除材料。不過(guò),可以實(shí)現(xiàn)完全的光化學(xué)燒蝕作用的另一個(gè)方法是使用皮秒量級(jí)或者是更短的脈沖。這些超短脈沖具有非常高的瞬時(shí)峰值功率(兆瓦及以上),其高能量密度使其可以通過(guò)多光子吸收來(lái)激發(fā)材料中的電子并且直接破壞原子鍵(圖2)。此外,由于脈寬比機(jī)械加工材料的熱擴(kuò)散率短,殘余熱效應(yīng)帶來(lái)的大部分熱量都會(huì)被帶走,而來(lái)不及傳播開(kāi)來(lái),因而基本不會(huì)生成熱影響區(qū)。
除了加工過(guò)程中基本沒(méi)有熱影響區(qū),超快加工的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它適用的材料范圍非常廣泛,包括幾種寬禁帶材料(例如玻璃和某些聚合物),這類(lèi)材料線(xiàn)性吸收和光吸收很低,因此很難用現(xiàn)有的商業(yè)化激光器來(lái)處理。具體來(lái)說(shuō),即使這些材料在激光波長(zhǎng)范圍通常是透射的,這一“波長(zhǎng)不可知”技術(shù)也可以誘發(fā)非線(xiàn)性吸收。
目前市面上的皮秒激光器的范圍通常從紅外到紫外。一般來(lái)說(shuō),紫外皮秒激光器在高精度和最小熱影響區(qū)方面有著最佳的表現(xiàn)。這是因?yàn)樗鼈兓径际枪饣瘜W(xué)燒蝕,而且還可以聚焦到最小的光斑尺寸(通過(guò)衍射)。從另一方面來(lái)說(shuō),紅外和可見(jiàn)光皮秒激光器通常會(huì)提供更大的輸出功率,從而帶來(lái)更高的處理速度。
皮秒激光體系結(jié)構(gòu)
雖然目前市面上的工業(yè)超快激光器在形式和結(jié)構(gòu)上多種多樣,但是它們都有著同樣的基本配置。具體地說(shuō),通過(guò)被動(dòng)鎖模振蕩來(lái)輸出10皮秒或者更短的脈沖,這個(gè)是驅(qū)動(dòng)光化學(xué)燒蝕的必要條件。然而,大多數(shù)鎖模振蕩器產(chǎn)生的脈沖相對(duì)來(lái)說(shuō)能量較低,重復(fù)頻率在數(shù)十兆赫。這一太高的重復(fù)頻率無(wú)法用現(xiàn)有的掃描技術(shù)來(lái)處理,所以用脈沖選擇器來(lái)提取這些脈沖中的一小部分,然后通過(guò)放大器來(lái)放大這些脈沖的能量,再進(jìn)行最終的輸出。
大多數(shù)商業(yè)皮秒產(chǎn)品都基于以下體系結(jié)構(gòu)之一:光纖振蕩器加光纖或棒狀光纖放大器,光纖振蕩器加自由空間放大器,二極管泵浦固態(tài)振蕩器加自由空間放大器。
全光纖振蕩器加放大器方案的優(yōu)勢(shì)是成本相對(duì)較低。不足之處是非線(xiàn)性、散射以及光纖放大器中的一些其他效應(yīng)限制了單位脈沖能量的最大值,這個(gè)數(shù)字是10μJ(在10皮秒脈沖時(shí))。因此,獲得高平均功率的唯一方法就是提高重復(fù)頻率,而這一方法在光束傳導(dǎo)系統(tǒng)方面遇到了難題,因?yàn)榇蠖鄶?shù)光束偏轉(zhuǎn)機(jī)制,例如振鏡掃描,都不夠快,以避免單個(gè)脈沖在工件表面重疊。例如,直徑為50μm的焦點(diǎn)光斑,脈沖重復(fù)頻率為1MHz,掃描速度需要達(dá)到50m/s才能避免脈沖重疊,這一速度很少能做到。結(jié)果是加工處理速度受到了限制。
為了實(shí)現(xiàn)大部分應(yīng)用所需要的更高的脈沖能量,可以用光纖振蕩器匹配自由空間放大器。
第三種方法是使用半導(dǎo)體泵浦固態(tài)振蕩器,這種方法可以產(chǎn)生更高的脈沖能量。然后是自由空間放大器,通常是再生放大器或多級(jí)放大器。事實(shí)上,可以使用多個(gè)放大器階段來(lái)把功率提升到更高水平。
瞬態(tài)放大器結(jié)構(gòu)的另一個(gè)極為重要的優(yōu)勢(shì)是,它支持“脈沖串模式”操作,即脈沖選擇器可以傳遞一串連續(xù)脈沖(通??蛇_(dá)10個(gè)),而不只是單脈沖。這一整串脈沖可以在后續(xù)階段被放大。
這一模式的優(yōu)點(diǎn)是,在某些情況下,它可以大大提高某一平均激光功率下的燒蝕率(每單位時(shí)間去除材料的量)。例如,實(shí)驗(yàn)表明,重復(fù)頻率為1MH時(shí),當(dāng)一串5個(gè)脈沖通過(guò)放大器時(shí),與單個(gè)脈沖相比,前者可以增加5~10倍燒蝕率。每種情況下產(chǎn)生的平均功率是類(lèi)似的,而且實(shí)際上,脈沖串模式下的每脈沖能量較低(因?yàn)榉糯笃髟鲆姹环峙涞綆讉€(gè)脈沖中)。然而,當(dāng)脈沖的間距較小時(shí),燒蝕率并不線(xiàn)性地取決于脈沖能量。
燒蝕率的確切機(jī)制仍在研究中,但目前有一些新興的受到推崇的理論。它認(rèn)為,在脈沖之間只有20納秒左右間隔時(shí),材料沒(méi)有時(shí)間放松,仍然會(huì)處于“預(yù)處理”狀態(tài),這就使得脈沖串中隨后的脈沖可以實(shí)現(xiàn)更大的材料去除,盡管能量較低。
該模式可以極大地開(kāi)辟超快微加工的參數(shù)空間。事實(shí)證明它在那些有自由電子的材料上能發(fā)揮最大的作用,例如鋼、硬質(zhì)合金和硅等材料。而對(duì)于包括陶瓷和玻璃在內(nèi)的那些介質(zhì)材料,它的優(yōu)勢(shì)很小,甚至基本沒(méi)有。
免責(zé)聲明
① 凡本網(wǎng)未注明其他出處的作品,版權(quán)均屬于激光制造網(wǎng),未經(jīng)本網(wǎng)授權(quán)不得轉(zhuǎn)載、摘編或利用其它方式使用。獲本網(wǎng)授權(quán)使用作品的,應(yīng)在授權(quán)范圍內(nèi)使
用,并注明"來(lái)源:激光制造網(wǎng)”。違反上述聲明者,本網(wǎng)將追究其相關(guān)責(zé)任。
② 凡本網(wǎng)注明其他來(lái)源的作品及圖片,均轉(zhuǎn)載自其它媒體,轉(zhuǎn)載目的在于傳遞更多信息,并不代表本媒贊同其觀(guān)點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé),版權(quán)歸原作者所有,如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系我們刪除。
③ 任何單位或個(gè)人認(rèn)為本網(wǎng)內(nèi)容可能涉嫌侵犯其合法權(quán)益,請(qǐng)及時(shí)向本網(wǎng)提出書(shū)面權(quán)利通知,并提供身份證明、權(quán)屬證明、具體鏈接(URL)及詳細(xì)侵權(quán)情況證明。本網(wǎng)在收到上述法律文件后,將會(huì)依法盡快移除相關(guān)涉嫌侵權(quán)的內(nèi)容。
相關(guān)文章
網(wǎng)友點(diǎn)評(píng)
0 條相關(guān)評(píng)論
熱門(mén)資訊
精彩導(dǎo)讀
關(guān)注我們
關(guān)注微信公眾號(hào),獲取更多服務(wù)與精彩內(nèi)容