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激光精細加工的工業應用探析

時間:2015-01-21

   隨著超快激光技術的發展,其技術的突破為精細加工行業帶來了希望。在精細加工領域,飛秒激光正在取代皮秒激光成為最熱門的話題。本文結合激光精細加工的發展過程,主要對飛秒激光的應用進行闡述。

1. 引言

  從1960年第一臺紅寶石激光器誕生至今,人們對激光技術的探索從未止步。激光因其優越的特性越來越多地為人們所知,更多的應用被發掘出來,尤其是在對高新技術比較敏感的工業領域。就人類社會發展的現階段,工業需求是社會發展的強大動力。激光應用于工業加工領域已經有20多年的歷史,其深度和廣度都已經達到了前所未有的階段。

2. 激光加工工業

  在第一臺激光器誕生之初,功率較低,系統整體較大,無法直接應用于工業加工領域。這之后的幾十年里,隨著激光技術的發展與新型激光介質的出現,激光技術瓶頸不斷突破,激光器無論從深度還是廣度上都有很大的進步。激光在工業中的應用之多,數不勝數,如激光印刷、刻錄、打標、雕刻、焊接、切割、毛化、調阻、熔敷等等,且潛力巨大。

  從上世紀80年代開始,從深度上來看,激光加工工業的發展主要經歷了三個階段:

626969cc澳门资料大全-ww626969cc澳门资料大全-626969bcom澳门资料大全  第一階段是納秒(1ns=10-9s)激光器應用階段。調Q技術獲得的納秒脈沖,其峰值功率遠高于平均功率,能夠實現連續激光器無法達到的高瞬時功率密度,從而瞬間超過材料破壞閾值,實現刻蝕效果。

626969cc澳门资料大全-ww626969cc澳门资料大全-626969bcom澳门资料大全  第二階段是本世紀伊始,半導體可飽和吸收鏡(SESAM)使皮秒(1ps=10-12s)激光技術迅猛發展,并很快應用于工業中。皮秒激光器一直以來都是通過染料進行鎖模,但是染料需要循環,且經常容易漂白而影響鎖模的穩定性。SESAM不但能夠代替染料進行鎖模,而且能夠實現自啟動。在此背景下,迅速涌現出了眾多商業化的工業級皮秒激光器。

626969cc澳门资料大全-ww626969cc澳门资料大全-626969bcom澳门资料大全  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,能夠實現更精細的加工效果。一時間,精細加工成為熱點話題。

  然而,第三階段,真正做到精細加工是在飛秒(1 fs=10-15 s)激光下實現的。

626969cc澳门资料大全-ww626969cc澳门资料大全-626969bcom澳门资料大全  我們首先來看激光與固體之間的相互作用機理:

  (1)激光首先激發的是固體的電子,在100 fs內電子吸收光子的能量而躍遷到高能級;

  (2)由于電子相對于晶格的溫度更高,因此其處于非平衡態。為了達到平衡,電子會在1ps內將能量傳遞給晶格;

  (3)在10ps時間內,這些能量將被逐步傳遞到材料內部。

  因此,對于10 ps左右的皮秒激光加工,材料有足夠的時間把熱量傳遞到其內部,然后才發生刻蝕作用,因此熱效應實際上無法避免。而對于飛秒激光,脈沖作用時間已經小于1ps,電子沒有足夠的時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,因此出現強烈的刻蝕效果。也就是說,當激光脈寬遠遠小于晶格的受熱時間時,燒蝕時間不依賴于激光脈寬。圖1為長脈沖激光與飛秒激光對比。


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    從上面三個階段,我們可以看到,激光加工的發展與激光器的發展基本上是同步的,一個新的技術突破,就可能迎來激光工業應用的飛躍,當然,也會帶來新的疑問:

626969cc澳门资料大全-ww626969cc澳门资料大全-626969bcom澳门资料大全  第一,皮秒激光器既然無法完全避免加工時的熱效應,那么是否它對精細加工就沒有意義,或者說已經失去了存在的價值和必要性?

626969cc澳门资料大全-ww626969cc澳门资料大全-626969bcom澳门资料大全  當然不是。皮秒激光雖然無法實現精細的冷加工,但相對于飛秒激光器,價格較低,且結構相對簡單,功率較高。因此,對于這樣一個超短脈沖技術的過渡性產品,如何充分利用就值得我們思考了。目前值得借鑒的方法是,將皮秒激光進行三倍頻,利用紫外光與材料的“光蝕”作用,高能量的光子通過“冷”處理直接破壞材料的化學鍵,從而減小加工的熱效應,實現“冷”加工。目前,該系統對于透明性材料加工有較大的優勢。此類激光器很多,例如Photonics industry公司的15 ps的355 nm激光器。

626969cc澳门资料大全-ww626969cc澳门资料大全-626969bcom澳门资料大全  第二,飛秒激光器能夠實現非熱刻蝕,那是不是脈沖寬度越短,加工越精細呢?實際上,刻蝕效果與六個主要因素有關: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,就越難獲得高平均功率。因此,從這方面來說,短脈沖是以犧牲平均功率為代價的。

  另外,脈沖寬度越窄,譜寬就會越大。因此,色差也會影響加工效果。

  其次是波長的影響,對于一般材料而言,波長對刻蝕效果影響不大,只有在對透明材料(如SiO2)進行加工的時候才考慮,而且應該考慮波長的問題。如前面所說,透明材料對紫外光有強烈的吸收,而對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于加工。對于幾十飛秒的激光器而言,光譜寬度達到20 nm,甚至是50 nm,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。

626969cc澳门资料大全-ww626969cc澳门资料大全-626969bcom澳门资料大全  頻率則會影響加工速度。一般來說是越高越好,但是通常只有振蕩器才是80 MHz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1 kHz到幾百千赫茲不等。

626969cc澳门资料大全-ww626969cc澳门资料大全-626969bcom澳门资料大全  因此,對于超快激光加工,不能盲目追求超短脈沖,必須看實際的需求。而且脈沖極短而高功率的飛秒激光器,價格不菲。就目前的精細加工需求而言,百飛秒級,幾百千赫茲頻率的激光器應該是足夠應對通常的精細加工需求,例如JENOPTIK公司的D2.fs工業級激光器(4 W,400 fs,300 kHz,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,這是一個亮點。從指標、價格、穩定性、綜合性價比來看,該激光器是非常不錯的。

  近兩年,飛秒激光技術得到了迅速提高,我國經濟也穩步發展,國外更多的先進產品涌進來。例如KMlabs的12 fs振蕩器和峰值功率太瓦級放大器,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.激光精細加工

  對于一套激光精細加工系統,除了激光器外,整個系統平臺的搭建,軟件控制也是重要的問題。任何一個方面的缺憾,都足以影響整個系統的性能。

    軟件方面,普通的標刻軟件已經無法滿足需求,在納秒脈沖打標下無須考慮的很多問題,如何克服首脈沖、拐角漏點等擺在我們面前。

  硬件方面,由于目前最好的振鏡的定位精度也只能達到10μm級別,很難勝任更精細的加工,因此,通常選用速度較慢而精度極高的位移平臺來組建系統,高精度位移平臺能夠實現納米級的精確控制。同時,還要考慮光路系統和聚焦系統的設計問題,矯正像差和色差以實現更小的聚焦光斑。

626969cc澳门资料大全-ww626969cc澳门资料大全-626969bcom澳门资料大全  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為是柱面刻蝕,所以對軟件和夾具有不同于平面加工的要求,而且難度更大,如圖2。


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  再如調節焦距,使得焦斑的中心強度剛好達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中心位置處的很小一部分體積內,而不是整個聚焦光斑輻照的區域。這樣,可以實現比聚焦光斑小得多的加工尺寸。


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4.結語

626969cc澳门资料大全-ww626969cc澳门资料大全-626969bcom澳门资料大全  隨著我國經濟和工業需求的發展,精細加工已經成為激光加工領域的熱點。目前,中國的精細加工還處在萌芽階段,因此,具有兩方面的內涵:

  第一,萌芽階段意味著不成熟,目前在國內尚沒有成熟的商品化飛秒精細加工系統,需要我們更多的探索。為了避免盡量少的走彎路,減少不必要的損失,應該更多地注意方法,更全面地考慮問題。

    精細加工問題,不僅僅是激光器的問題,而是系統全面優化以實現更高精度要求的問題,刻蝕效果是我們追求的最終目標。國外已經有比較成熟的產品,而國內還沒有,彼此的差別并不僅僅是激光器,還有工藝問題。工藝研究是一門復雜的科學,一個復雜的系統,需要一個團隊的不懈努力,例如軟件參數的設置和工藝效果的嘗試等。盡管激光器是關鍵部件,但只把眼界局限在激光器上,而忽略了整體系統的集成和優化是我們的致命傷。

  第二,對起步階段的中國精細加工領域來說,正因為沒有成熟的飛秒精細加工系統,因此市場潛力巨大,誰將會是第一個吃到螃蟹的人呢?


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