要想在機(jī)械加工中實施高成本效率的解決方案，高質(zhì)高速的微加工是非常重要的。使用激光器進(jìn)行微加工在近些年已經(jīng)有了穩(wěn)步發(fā)展，預(yù)計到2015年激光微加工市場將達(dá)到7.52億美元。隨著近年來激光技術(shù)的迅猛發(fā)展，納秒紫外半導(dǎo)體泵浦固體激光器的單脈沖能量和脈沖重復(fù)頻率(PRF)有了長足的進(jìn)步。對于任何激光微加工應(yīng)用來說，如果想要獲得材料去除最大化以及熱損傷最小化，那么有效利用激光器的能量是至關(guān)重要的。
使用最優(yōu)化的能量密度 (J/cm2）對于短脈沖激光器的材料去除尤為重要。與長脈沖相比，短脈沖將使得熱滲透深度更小，這意味著更小的殘留熱影響區(qū)(HAZ)，從而得以進(jìn)行嚴(yán)格控制下的精密微加工。這也是為什么許多業(yè)內(nèi)人士在其質(zhì)量要求最嚴(yán)格的應(yīng)用中使用納米短脈沖半導(dǎo)體泵浦固體激光器的原因了。
與此同時，加工商總是希望得到更快的加工速度，而盡管短脈沖可以進(jìn)行快速的加工處理，但是如果工藝優(yōu)化不合適，那么將會導(dǎo)致相對較少的材料燒蝕（因為加熱深度較淺）。當(dāng)僅僅簡單地增加脈沖能量以獲得更快的加工處理時，有可能會影響到短脈沖在加工質(zhì)量方面的優(yōu)勢。所以，我們應(yīng)該考慮到短脈沖的加熱體積較小，因而燒蝕閾值更小，這意味著在實施材料去除的時候，對相同的輻照區(qū)域（例如焦點光斑尺寸）而言，更短的脈沖需求的輸入能量更少?？紤]到這一點，我們應(yīng)該靈活考慮激光器和加工過程，以及可行的脈沖能量在空間和時間上的分布方式，來確保同時獲得高質(zhì)量和高加工速度。
為實現(xiàn)更高的加工速度，最直接的做法是增加能量密度，尤其是在激光能量較高時，但是這是一種效率低下的方法，而且有可能會降低加工的質(zhì)量。圖1和圖2的數(shù)據(jù)清楚地說明了這一點。圖1顯示，在氧化鋁陶瓷上進(jìn)行深度為30微米的激光劃片時，不同的劃片速度所需要的能量密度。試驗使用了Spectra-Physics Pulseo系列355-20調(diào)Q半導(dǎo)體泵浦固體激光器，短脈沖寬度小于23ns。數(shù)據(jù)顯示，能量密度增加為3倍，只能讓劃片速度提升為2倍。數(shù)據(jù)清楚地表明這是一種能量密度的能級過量的低效加工。圖2(a)和圖2(b)的顯微照片顯示了過度的加熱以及隨之而來的熱效應(yīng)將帶來更多的材料燒蝕，因而更高的能量密度下，劃片的寬度更大。
在能量密度較低的情況下進(jìn)行加工，雖然以每焦耳為基礎(chǔ)的效率更高，但是實際上去除的材料減少了。在其他條件相同的情況下，這會限制加工速度。此外，如今最新的激光器擁有更高的脈沖能量，再使用低能量密度顯然不能與其保持一致。為了充分利用這種脈沖能量，我們的加工必須運(yùn)行在較低的能量密度下，但同時又可實現(xiàn)更高的處理速度以及高質(zhì)量。
要想運(yùn)行在低能量密度下而不影響加工速度，從而更有效地利用更高的激光功率，最簡單的方法就是使用更高的脈沖重復(fù)頻率，對于一個典型的倍頻或三倍頻(例如532或355nm)調(diào)Q半導(dǎo)體泵浦固體激光器來說，輸出功率隨著脈沖重復(fù)頻率的提高而降低。因此，高脈沖重復(fù)頻率下的單脈沖能量以及能量密度較低；而由于脈沖重復(fù)頻率高，加工速度會更快。雖然本質(zhì)上每脈沖的材料去除量變少了，但是脈沖速度的增加最終會使凈加工效率得到提高。
圖3中的數(shù)據(jù)說明了當(dāng)脈沖重復(fù)頻率分別為100kHz和200kHz時氧化鋁陶瓷激光劃片速度和能量密度的函數(shù)關(guān)系，劃片深度為30微米。從圖中我們可以看到，當(dāng)激光器的脈沖重復(fù)頻率為200kHz時，在較低的能量密度下能獲得更高的劃片速度。而且更妙的是，當(dāng)脈沖重復(fù)頻率提高一倍時，劃片速度遠(yuǎn)不止翻番。圖4顯示在更高的脈沖重復(fù)頻率下（200kHz），劃片質(zhì)量不會受到影響。
使激光器在更高的脈沖重復(fù)頻率下運(yùn)行，是最簡單的一種在加工中控制能量密度的方法。但是更高的脈沖重復(fù)頻率通常會導(dǎo)致較低的激光輸出功率。那么是否可以使激光器在其最大輸出功率下運(yùn)行呢？這樣的話，對這一激光器系統(tǒng)來說，就可以達(dá)到其最大的加工速度。答案就是使用光束空間整形技術(shù)，例如橢圓光束加工和激光光束分束。這些技術(shù)可以使激光器在最大輸出功率對應(yīng)的脈沖重復(fù)頻率下運(yùn)行，因而可以得到最高的加工效率。當(dāng)然我們也要權(quán)衡由此給光學(xué)系統(tǒng)增加的復(fù)雜性和成本。
使用橢圓激光光束進(jìn)行加工
橢圓光束加工可用于深且窄的高速劃片。為此我們需要對光束進(jìn)行整形以確保理想的劃片寬度，因而有必要將光束沿著劃片的方向來拉長，以獲得最佳的能量密度。當(dāng)短軸保持不變時，拉長光束將會引起能量密度的線性減少。例如，光束拉長一倍，能量密度將減少一半。而最佳的長軸直徑主要取決于我們的劃片目標(biāo)。除了材料的種類，劃片深度也是一個因素。劃片越深，要求的能量密度也就越高（因此長軸就越短）。
通常，從典型的高斯圓形輸出激光光束變?yōu)闄E圓光束需要使用一個或多個柱面透鏡。出于方便，我們使用一對配對的柱面透鏡，它們焦距相同，但方向相反，也就是說，一個鏡頭是平凸的，而另一個是平凹的，但它們非平面那一側(cè)具有相同的曲率半徑。當(dāng)這對透鏡置于最終的 聚焦目標(biāo)之前，可以調(diào)節(jié)鏡片之間的距離，以調(diào)整橢圓的長軸（短軸保持固定）。當(dāng)距離為零時，光束維持其原始的圓形，因為它基本上只是通過了一塊平面玻璃；隨著距離的增加，光束被拉得越來越長。
使用橢圓光束的主要優(yōu)點是可使激光器的高能量在空間中傳播并在目標(biāo)表面獲得最佳的能量密度。此外，也可以在保持短軸方向的窄的切口寬度不變的同時，來改變長軸以調(diào)整激光器的能量密度。
使用短軸為 ~ 10μm 、長軸為~225μm、激光器的能量為~170μJ的橢圓形的光束，目標(biāo)表面的能量密度為19 J/cm2，我們可以在氧化鋁上以200 mm/s的速度進(jìn)行深度為30μm的劃片。實驗表明該劃片的質(zhì)量良好，并且熱影響區(qū)(HAZ)很小。
利用激光分束進(jìn)行加工
傳統(tǒng)上，激光分束是將一束高能激光光束分成多束光束，以對不同材料或者同一材料的不同部位同時進(jìn)行加工；在此情況下，每一個分束都擁有不同的光路和聚焦目標(biāo)。而最近，設(shè)計師將分束用于鄰近的材料上，每一束分束都共享光路。甚至波束擁有相同的最終傳輸透鏡，因而可以使材料在很小的面積內(nèi)獲得相同的特性，而空間上仍然保持分離。在其他情況下，波束作用于靠得足夠近的材料上，以便獲得最大的加工效率同時仍保持高質(zhì)量?？梢酝ㄟ^新型的折射型透鏡來得到波束，例如微透鏡陣列或者專門制造的衍射光學(xué)元件(DOEs)。無論是哪種方法，最終的目的是要將激光器的高能量分成“N”個不同的波束；在理想的情況下，每個波束都有著最佳的低能量密度值，以獲得最高的加工效率。#p#分頁標(biāo)題#e#
在這里，我們使用MEMS Optical公司的1:7激光分束DOE元件，將能量為~170μJ的激光光束分成 7束波束，每束波束的能量密度為61 J/cm 2。通過1:7激光分束元件，我們可以在氧化鋁陶瓷上進(jìn)行深度為30μm的激光劃片，劃片速度為175 mm/s。除了較高的劃片速度以外，激光分束技術(shù)所帶來的好處還包括出色的劃片質(zhì)量，劃片寬度為~15μm，沒有明顯的熱影響區(qū)。值得指出的是，我們這里所使用的1:7激光分束元件并不是最佳的選擇，我們還可以獲得更高的劃片速度和更多的分束。但是，每個定制的DOE激光分束元件的費用很高，所以在這里我們只采用了1:7激光分束元件來驗證我們的理論，結(jié)果也很讓人滿意。
表1中的數(shù)據(jù)清楚表明 ，可以通過不同的能量密度控制技術(shù)在氧化鋁陶瓷上進(jìn)行高質(zhì)量、高速度、深度為30μm的激光劃片。增加脈沖重復(fù)頻率是一個直接而有效的方法，而在空間上分配激光器的全部能量可以獲得更高的加工效率，盡管這需要在激光光束傳送系統(tǒng)上花費額外的成本，而且也增加了復(fù)雜性。我們在這里論證了，與僅僅簡單地增加脈沖重復(fù)頻率相比，使用橢圓光束整形和1:N激光分束這兩種技術(shù)，可以帶來更高的加工效率，質(zhì)量也依然很高。
總結(jié)
為了獲得最大的材料去除以及最小的熱影響區(qū)，控制激光器在目標(biāo)表面的能量密度是至關(guān)重要的?？梢允褂枚喾N能量密度控制技術(shù)以實現(xiàn)最佳的加工效率，對于每種技術(shù)我們都需要權(quán)衡它的性能、復(fù)雜性和成本。在某些情況下，可能僅僅調(diào)整激光器的脈沖重復(fù)頻率就可以獲得高效益及高質(zhì)量；而有時，空間能量密度控制技術(shù)，例如我們前面提到的橢圓光束整形和激光分束技術(shù)，可以更加充分地實現(xiàn)某一激光源的效率潛力，但是復(fù)雜性和成本也會隨之增加。如今，幾乎在所有的材料加工應(yīng)用中，我們都可以使用上述技術(shù)來充分有效地利用調(diào)Q半導(dǎo)體泵浦固體激光器的高能量和高脈沖重復(fù)頻率
作者：Jim Bovatsek, Ashwini Tamhankar
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