飞秒激光技术的工业加工应用

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欢迎访问e展厅 展厅 1 激光器展厅 半导体激光器, 固体激光器, Er:YAG激光器, CO2激光器, 光纤激光器, ... 自1985年啁啾脉冲放大技术发明以来，许多研究小组对强飞秒激光脉冲与物质的相互作用进行了广泛的研究。通过这些研究，目前利用飞秒激光技术进行高精度材料加工的过程已经在工业界找到了创新性的应用机会。与传统激光器相比，飞秒激光材料加工技术可以显著减少材料上的热效应。这是因为飞秒激光脉冲将能量传导到材料中所需要的时间比光电耦合的时间要短，能量还来不及被扩散到周围媒介中，受热的材料就已经被喷射出来了。 此外，飞秒激光脉冲聚焦后所具有的光强峰值高，因此，它不只可以加工透明材料的表面，也能够进行内部结构的加工。与传统激光加工技术相比，飞秒激光加工技术的这些优势为它开拓了广泛的应用前景。 表面纳米级周期结构的加工 最近的研究指出，利用飞秒激光器来进行表面纳米级周期结构的加工有助于材料表面的功能化。当飞秒激光对材料表面进行辐照时，具有亚微米级周期率的纳米级周期结构能够以一种自组装的方式自动生成。图1给出了在硅晶圆上所形成的这类结构，而这种结构还可以在金属、陶瓷材料、半导体和玻璃等材料中形成。这项技术的主要应用包括：减小精密滑动零件的摩擦损耗，比如汽车引擎元件；改善涂层的粘结强度；防止微粒的吸附；控制湿润性。佳能机械公司制造并销售一种飞秒激光表面加工系统——Surfbeat R，它配备了Cyber激光公司的工业级飞秒激光器IFRIT。 平面显示器的切割过程 新一代平面显示器要求玻璃的切割过程采用加工速度快且质量高的激光技术。这是因为使用传统的金刚石刀片切割技术很难提高产量。使用这项新型玻璃切割技术时，飞秒激光脉冲被聚焦到玻璃基底的后表面来进行刻线。因为激光的脉宽短，所以激光能量被局域空间的非线性电离过程吸收，从而能够对玻璃的后表面进行加工，而不影响前表面。在后表面附近聚焦的飞秒激光脉冲在玻璃基底内产生了小孔，这些小孔一直延伸到后表面上。对沿着切割线的小孔进行排列，玻璃基底在机械应力或者热冲力作用下很容易断开。 速度超过400mm/s的高速玻璃切割已经在无碱玻璃和硼硅玻璃中得到了成功的实践，所使用的是新开发的重复频率为50kHz、功率为5W的飞秒激光器。这项技术也可以被用于双层玻璃基底的切割。 双波长式材料加工技术 对于透明材料的微加工来说，使用深紫外（DUV）飞秒激光比近红外（NIR）飞秒激光更有利，因为许多透明材料对DUV的吸收很强，而且，飞秒激光所具有的超短脉宽能够避免不必要的热效应。但是，从基频光到DUV飞秒激光的转换效率很低，这就给加工速度带来了限制。最近开发的双波长式飞秒激光技术能够克服这个困难。该技术使用了双脉冲式的飞秒激光，它包括了波长260 nm的DUV预脉冲和随后波长为780 nm的NIR主脉冲，该技术既提高了烧蚀效率，又改善了烧蚀质量。260 nm DUV预脉冲的作用是产生电子—空穴等离子体，以提高材料对于预脉冲后780 nm NIR主脉冲的吸收率，同时预脉冲还能够降低780 nm脉冲相对于作用区域的透射率。 图4给出了分别由NIR飞秒激光和双波长式飞秒激光脉冲在硼硅玻璃表面得到的刻槽。使用780nm NIR飞秒激光进行烧蚀得到的材料表面上可观察到微裂痕，亚表面则有破坏现象（如图4a）。而另一方面，如果使用双波长式飞秒激光来进行烧蚀，烧蚀质量和效率可以得到显著的提高（如图4b）。这里，260 nm DUV预脉冲780 NIR主脉冲之间的时间间隔是0 ps。260nm DUV预脉冲和780 nm NIR主脉冲之间时间间隔的最佳值是由能量沉积和耗散之间复杂的相互关系来决定的，因此它取决于材料的类型。与仅使用NIR飞秒激光相比，其烧蚀体积提高了近十倍。 对于图4的情况来说，260nm DUV预脉冲和780 nm NIR主脉冲的能量沉积分别是由于线性吸收和双光子吸收。这项技术可以被用来加工带隙较宽的材料，因为260nm脉冲的能量沉积是以非线性的方式进行。 到目前为止，在近红外飞秒激光对透明物质的烧蚀过程中，烧蚀质量和效率之间是相互制约的。但是，双波长式飞秒激光技术能够同时改善这两个方面。目前，这项新颖的飞秒激光烧蚀技术被应用在基底材料上绝缘层的修整和微流体设备的制作，在这些加工过程中，高功率和高质量是非常重要的。 飞秒激光解决方案 在2004年，Cyber公司生产的IFRIT飞秒激光器（180 fs，1 mJ，1 kHz）能够正常运转的时间超过10000小时，并且无需任何维护。为了进一步保障其稳定性，激光器还配备了一套自动化功率管理系统（APMS），该系统能够对激光输出功率进行自动调整。该激光器即使在环境变化的情况下，如温度和湿度，也能维持稳定的激光输出功率。对于需要更高输出功率的情况，高功率、 50kHz、5W的飞秒激光器也已实现商业化。IFRIT激光器用户可享有Michigan大学第3283265号专利的使用授权。(end)

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