皮秒激光器开启工业微加工应用新天地

2019-08-15 19:08:49 来源: 和平信息港

  众所周知,皮秒在广泛的工业微加工应用方面具有众多优势。尤其值得一提的是,它几乎没有热影响区,可以处理的材料范围极其广,甚至包括那些在可见光和近红外光区透明的材料。不过,在早期的时候,皮秒尚不具备必要的信赖度、低经营成本,也缺乏在许多生产环境中实际应用的实践参数。而现在新一代的工业皮秒器可以实现这一技术所具备的优势特点。本文探讨了纳秒和皮秒之间的主要差异,介绍了当前可用的皮秒激光源的基本体系结构以及在工业中的典型应用。

  皮秒 Vs 纳秒

  微加工通常针对的是微米级别的加工需求,如孔和槽,同时还要避免对周边材料造成热损伤。换句话说,微加工的目的就是获得精细、干净的切口,而且热影响区(HAZ)小。

  用激光进行精密钻孔、划片或者切割有两种基本机制。许多传统应用主要依赖于红外和可见光调Q激光器,它们的脉宽在数十纳秒范围,通过光热作用来移除材料(见图1)。在这种情况下,聚焦的激光光束是密闭的、强度高的热源,它会迅速加热目标材料并终使之汽化。

  这种方法的优点是它可以快速去除相对较多的目标材料(特别是调Q激光器通常以数千赫兹的重复频率运行)。而且,众所周知的是纳秒激光技术具有完善的技术基础,来源高度可靠,运营成本也很有吸引力。不过,对那些要求苛刻的加工任务来说,在热影响区的大小、频繁产生的重铸材料或者是表面涂层的分层开裂等方面仍然存在一些限制。

  激光去除材料的第二种机制建立在光化学烧蚀(图1)基础上。在这种情况下,激光光子直接破坏目标材料的结合键。这相对来说是一种 冷 加工过程,因而热影响区很小。另外,整个加工过程很干净,没有重铸材料,因而很少需要后期再加工。

  紫外(UV)激光光子的高能量意味着在很多材料中它们可以驱动光化学烧蚀的发生。因此,紫外调Q激光器通过光化学烧蚀来去除材料。不过,可以实现完全的光化学烧蚀作用的另一个方法是使用皮秒量级或者是更短的脉冲。这些超短脉冲具有非常高的瞬时峰值功率(兆瓦及以上),其高能量密度使其可以通过多光子吸收来激发材料中的电子并且直接破坏原子键(图 2)。此外,由于脉宽比机械加工材料的热扩散率短,残余热效应带来的大部分热量都会被带走,而来不及传播开来,因而基本不会生成热影响区。

  除了加工过程中基本没有热影响区,超快加工的另一个主要优点是它适用的材料范围非常广泛,包括几种宽禁带材料(例如玻璃和某些聚合物),这类材料线性吸收和光吸收很低,因此很难用现有的商业化激光器来处理。具体来说,即使这些材料在激光波长范围通常是透射的,这一 波长不可知 技术也可以诱发非线性吸收。

  目前市面上的皮秒激光器的范围通常从红外到紫外。一般来说,紫外皮秒激光器在高精度和小热影响区方面有着的表现。这是因为它们基本都是光化学烧蚀,而且还可以聚焦到小的光斑尺寸(通过衍射)。从另一方面来说,红外和可见光皮秒激光器通常会提供更大的输出功率,从而带来更高的处理速度。

  皮秒激光体系结构

  虽然目前市面上的工业超快激光器在形式和结构上多种多样,但是它们都有着同样的基本配置。具体地说,通过被动锁模振荡来输出10皮秒或者更短的脉冲,这个是驱动光化学烧蚀的必要条件。然而,大多数锁模振荡器产生的脉冲相对来说能量较低,重复频率在数十兆赫。这一太高的重复频率无法用现有的扫描技术来处理,所以用脉冲选择器来提取这些脉冲中的一小部分,然后通过放大器来放大这些脉冲的能量,再进行终的输出。

  大多数商业皮秒产品都基于以下体系结构之一:

  光纤振荡器加光纤或棒状光纤放大器,

  光纤振荡器加自由空间放大器,

  二极管泵浦固态振荡器加自由空间放大器。

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