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解決方案

超快激光在精細(xì)加工領(lǐng)域的應(yīng)用

星之球科技 來源:頂尖科儀2016-11-03 我要評(píng)論(0 )   

從1960年第一臺(tái)紅寶石激光器誕生至今,人們對(duì)激光技術(shù)的探索從未曾止步。因其優(yōu)越的特性越來越多的為人們所知,更多的應(yīng)用將被發(fā)掘出來,尤其是對(duì)高新技術(shù)比較敏感的工...

1.引言

從1960年第一臺(tái)紅寶石激光器誕生至今,人們對(duì)激光技術(shù)的探索從未曾止步。因其優(yōu)越的特性越來越多的為人們所知,更多的應(yīng)用將被發(fā)掘出來,尤其是對(duì)高新技術(shù)比較敏感的工業(yè)領(lǐng)域??梢哉f,就人類社會(huì)發(fā)展的現(xiàn)階段,工業(yè)需求是社會(huì)發(fā)展的最強(qiáng)大的動(dòng)力。激光應(yīng)用于工業(yè)加工領(lǐng)域已經(jīng)有20多年的歷史,激光在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用的深度和廣度都已經(jīng)達(dá)到了前所未有的階段。
  
2.激光加工工業(yè)的發(fā)展
在第一臺(tái)激光器誕生之初,功率較低,系統(tǒng)整體較大,實(shí)際上無法直接應(yīng)用于工業(yè)加工領(lǐng)域。在這之后的幾十年里,隨著激光技術(shù)的發(fā)展,新的激光介質(zhì)的出現(xiàn),激光技術(shù)瓶頸的突破,激光器無論從深度上還是廣度上都有很大的進(jìn)步。激光在工業(yè)中的應(yīng)用之多,數(shù)不勝數(shù),如:激光印刷,刻錄,打標(biāo),雕刻,焊接,切割,毛化,調(diào)阻,熔敷等等,且潛力巨大。
  
從上世紀(jì)80年代開始,從深度上來看,激光加工工業(yè)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)階段:
  
第一階段是納秒激光器應(yīng)用階段。調(diào)Q技術(shù)獲得的納秒脈沖,其峰值功率遠(yuǎn)高于平均功率,能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)激光器無法達(dá)到的高瞬時(shí)功率密度,從而瞬間超過材料破壞閾值,實(shí)現(xiàn)刻蝕效果。
  
第二階段是本世紀(jì)伊始,SESAM(半導(dǎo)體可飽和吸收鏡)使皮秒激光技術(shù)迅猛發(fā)展,并很快應(yīng)用于工業(yè)中。皮秒激光器一直以來都是通過染料進(jìn)行鎖模,但是染料需要循環(huán),且經(jīng)常容易漂白而影響鎖模的穩(wěn)定性。SESAM不但能夠代替染料進(jìn)行鎖模,而且能夠?qū)崿F(xiàn)自啟動(dòng)。在此背景下,迅速涌現(xiàn)出了眾多商業(yè)化的工業(yè)級(jí)皮秒激光器。
  
相較納秒激光,皮秒激光器以其更短的脈沖寬度,更高的峰值功率,能夠?qū)崿F(xiàn)更精細(xì)的加工效果。因此,一時(shí)間,精細(xì)加工成為熱點(diǎn)話題。
然而,真正做到精細(xì)加工是在飛秒激光下實(shí)現(xiàn)的,這也是我們說的第三階段。我們首先來看激光與固體之間的相互作用機(jī)理:
  
(1)激光首先激發(fā)的是固體的電子,在100飛秒的時(shí)間內(nèi)電子吸收光子的能量而躍遷到高能級(jí);
  
(2)由于電子相對(duì)于晶格的溫度更高,因此其處于非平衡態(tài)。為了達(dá)到平衡,電子會(huì)在1皮秒的時(shí)間內(nèi)將能量傳遞給晶格;
  
(3)在10皮秒的時(shí)間內(nèi),這些能量將被逐步傳遞到材料內(nèi)部。
  
因此,對(duì)于10皮秒左右的皮秒激光加工,材料有足夠的時(shí)間把熱量傳遞到其內(nèi)部,然后才發(fā)生刻蝕作用,因此熱效應(yīng)實(shí)際上無法避免。而對(duì)于飛秒激光而言,脈沖作用時(shí)間已經(jīng)實(shí)際小于1皮秒,電子沒有足夠的時(shí)間將能量傳遞給晶格。從而在材料表面生成眾多等離子體,能量伴隨著材料的去除而消散,因此出現(xiàn)強(qiáng)烈的刻蝕效果。也就是說,當(dāng)激光脈寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于晶格的受熱時(shí)間時(shí),燒蝕時(shí)間不依賴于激光脈寬。
  
從上面三個(gè)階段,我們可以看到,激光加工的發(fā)展與激光器的發(fā)展基本上是同步的,一個(gè)新的技術(shù)突破,就可能迎來激光工業(yè)應(yīng)用的飛躍,當(dāng)然,也會(huì)帶來新的疑問:
  
第一,皮秒激光器既然無法完全避免加工時(shí)的熱效應(yīng),那是否它就對(duì)精細(xì)加工就沒有意義,或者說已經(jīng)失去了存在的價(jià)值和必要性?
  
當(dāng)然不是。皮秒激光雖然無法實(shí)現(xiàn)精細(xì)的冷加工,但相對(duì)于飛秒激光器,價(jià)格較低,且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單,功率較高。因此,對(duì)于這樣一個(gè)超短脈沖技術(shù)的過度性產(chǎn)品,如何充分利用就值得我們思考了。目前比較值得借鑒的方法是,將皮秒激光進(jìn)行三倍頻,利用紫外光于材料的“光蝕”作用,高能量的光子通過“冷”處理直接破壞材料的化學(xué)鍵,從而減小加工的熱效應(yīng),實(shí)現(xiàn)“冷”加工。目前,該系統(tǒng)對(duì)于透明性材料加工有其較大的優(yōu)勢(shì)。此類激光器很多,例如Photonics industry公司的15ps的355nm激光器。
  
第二,飛秒激光器能夠?qū)崿F(xiàn)非熱刻蝕,那是不是脈沖寬度越短,加工越精細(xì)呢?實(shí)際上,刻蝕效果與六個(gè)主要因素有關(guān):平均功率,脈寬,波長,譜寬,單脈沖能量,頻率。
  
一般來說,脈沖寬度越短,就很難獲得高平均功率,因此,從這方面來說,短脈沖是以犧牲平均功率為代價(jià)的。
  
另外,脈沖寬度越窄,譜寬就會(huì)越大,因此,色差也會(huì)影響加工效果。
  
其次是波長的影響,對(duì)于一般材料而言,波長對(duì)刻蝕效果影響不大,只有在對(duì)透明材料(如SiO2)進(jìn)行加工的時(shí)候才考慮,而且應(yīng)該考慮波長的問題。如前面所說,透明材料對(duì)紫外光有強(qiáng)烈的吸收,而對(duì)于可見和紅外光的透過率卻很高。因此通常將超快激光的三倍頻光用來加工。對(duì)于幾十飛秒的激光器而言,光譜寬度達(dá)到20nm,甚至是50nm,因此三倍頻效率非常低。而皮秒激光器卻能獲得較高的三倍頻率輸出。
頻率則會(huì)影響加工速度。一般來說是越高越好,但是通常只有振蕩器才是80MHz左右,而振蕩器的單脈沖能量太低,因此需要放大,放大器的頻率一般從1KHz到幾百KHz不等。
  
因此,對(duì)于超快激光加工,不能盲目追求超短脈沖,必須看實(shí)際的需求。而且脈沖極短而高功率的飛秒激光器,價(jià)格不菲。就目前的精細(xì)加工需求而言,百飛秒級(jí),幾百KHz頻率的激光器應(yīng)該是足夠應(yīng)對(duì)通常的精細(xì)加工需求,例如JENOPTIK公司的D2.fs工業(yè)級(jí)激光器(4W,400fs,300KHz,1025 nm,20 μJ @ 200 kHz)。而且該激光器采用光纖激光器振蕩器,能夠做到長壽命,免維護(hù),這是一個(gè)亮點(diǎn)。指標(biāo),價(jià)格,穩(wěn)定性,綜合性價(jià)比來看,該激光器是非常不錯(cuò)的。
  
近兩年,飛秒激光技術(shù)得到了飛速提高,我國經(jīng)濟(jì)也穩(wěn)步發(fā)展,國外更多的先進(jìn)產(chǎn)品涌進(jìn)來。例如KMlabs的12fs振蕩器和峰值功率TW級(jí)放大器,menlosystems的飛秒光纖激光器,Lumera和photonics industry的皮秒激光器等就是比較成功的幾款商品化的超快激光器。
  
3.激光精細(xì)加工
  
對(duì)于一套激光精細(xì)加工系統(tǒng),除了激光器外,整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)的搭建,軟件控制也是一個(gè)重要的問題。任何一個(gè)方面的缺憾,都足以影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。
  
軟件方面,普通的標(biāo)刻軟件已經(jīng)無法滿足需求,在納秒脈沖打標(biāo)下無須考慮的很多問題,如何克服首脈沖,拐角漏點(diǎn)等擺在我們面前。
  
硬件方面,由于目前最好的振鏡的定位精度也只能達(dá)到十微米級(jí)別,很難勝任更精細(xì)的加工,因此,通常選用速度較慢而精度極高的位移平臺(tái)來組建系統(tǒng),高精度位移平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)納米級(jí)的精確控制。同時(shí),還要考慮光路系統(tǒng)和聚焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題,矯正像差和色差以實(shí)現(xiàn)更小的聚焦光斑。
  
除此之外,為滿足不同加工需求,還要考慮夾具,工藝等多方面的問題。例如,心血管支架的加工因?yàn)槭侵婵涛g,所以對(duì)軟件和夾具有不同于平面加工的要求,而且難度更大。
超快激光
激光加工的心血管支架
  
再如調(diào)節(jié)焦距,使得焦斑的中心強(qiáng)度剛好達(dá)到材料的多光子電離閾值,則加工過程中的能量吸收和作用僅限于焦點(diǎn)中心位置處的很小一部分體積內(nèi),而不是整個(gè)聚焦光斑輻照的區(qū)域。這樣,可以實(shí)現(xiàn)比聚焦光斑小得多的加工尺寸。
 
4.結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟(jì)和工業(yè)需求的發(fā)展,精細(xì)加工已經(jīng)成了激光加工領(lǐng)域的熱點(diǎn),目前,中國的精細(xì)加工還處在萌芽階段,因此,具有兩方面的內(nèi)涵:
  
第一、萌芽階段意味著不成熟,目前在國內(nèi)尚沒有成熟的商品化飛秒精細(xì)加工系統(tǒng),需要我們更多的探索,或許在探索中會(huì)走彎路,會(huì)付出一定的代價(jià),但這對(duì)于未來可能獲得的回報(bào)而言,是值得的。為了避免盡量少的走彎路,減少不必要的損失,應(yīng)該更多的注意方法,更全面的考慮問題。精細(xì)加工問題,不僅僅是激光器的問題,而是系統(tǒng)全面優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)更高精度要求的問題,刻蝕效果是我們追求的最終目標(biāo)。國外已經(jīng)有比較成熟的產(chǎn)品,而國內(nèi)還沒有,彼此的差別并不僅僅是激光器,還有工藝問題。工藝研究是一門復(fù)雜的科學(xué),一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),需要一個(gè)團(tuán)隊(duì)的不懈努力,例如軟件參數(shù)的設(shè)置和工藝效果的嘗試。盡管激光器是關(guān)鍵部件,但只把眼界局限在激光器上,而忽略了整體系統(tǒng)的集成和優(yōu)化是我們的致命傷。
  
第二、而對(duì)起步階段的中國精細(xì)加工領(lǐng)域來說,正因?yàn)闆]有成熟的飛秒精細(xì)加工系統(tǒng),因此市場(chǎng)潛力巨大,誰將會(huì)是第一個(gè)吃到螃蟹的人呢?

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