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纳秒脉冲光纤激光器:不止于标刻
作者:Jack Gabzdyl    来源:Industrial Laser Solutions
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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, ...
这十年来,光纤激光技术已迅速成为1微米波长的材料加工应用中的主要候选技术,尤其在标刻应用中,光纤激光器已占据激光源的三分之一。光纤激光源为用户提供简洁的低成本解决方案,无需维护,降低产权方案的成本。对于非技术用户来说,这也是一种“安装之后就不必管它”的选择。

对于许多激光来说,由于在使用气体或棒状激光器时,光学器件、热透镜或其它对准效应的下降,维持光束质量通常很困难的。事实上,可以采用对特殊模式进行光学设计来满足特别的材料加工应用。

最新一代的纳米脉冲光纤激光器简洁紧凑,调整光束质量后的光源非常灵活,有若干可配置的脉冲选项。这将改进大多数应用的工艺。近来,峰值功率和脉冲能量的提高使得传统标刻加工迈上了新的台阶,也使激光器成为功能强大的精密加工工具。

许多光纤激光器基于调Q类型的设计,并且模仿了其他固态激光器的能力。这种光源仍主要应用于当前的标刻应用中,它受限于脉冲参数的能力,不能突破重复率小于100千赫的限制。基于主振动率放大器(MOPA)设计的光纤激光器使用直接调制的种子激光器和放大器通路,能灵活控制如脉冲长度和频率等脉冲参数。

例如,SPI最新的MOPA设计能够达到很高的峰值功率,这是无法在标准调制时达到的,在平均输出功率为40瓦时,一些模式的峰值脉冲功率能超过20千瓦,在30千赫时脉冲能量能大于1.25mJ。另外,这些模式的脉冲频率范围高达1到500千赫,脉冲持续时间范围为20到200纳秒,并且能在连续波(CW)模式下工作。

材料加工中,影响质量和生产能力的一些关键参数包括:峰值脉冲功率(千瓦)、脉冲能量(mJ)、脉冲频率(千赫)、平均功率(瓦)、脉冲持续时间(纳秒)和光束质量(M2)。大多数脉冲激光材料加工应用需要综合考虑上述参数。

脉冲加工在本质上严重依赖于重叠激光光斑才能取得理想的结果。尽管高一些的重叠也可以让标记的外观几近平滑,但通常对于许多激光加工来说,普遍接受的是大于30%的光斑重叠。高重复率意味着可以达到更高的加工速度。在500千赫时,当扫描速度高达8米/秒时就能够取得30%光斑重叠的效果。

在加工敏感材料时,需要仔细控制热输入,通常最好采用较短的脉冲和较高的重复率。在加工塑料和聚合材料时,则最好维持峰值功率并且限制每单位长度的总热输入(见图1)。其他应用加工,如除漆(24小时标记)、彩色标记、集成电路打标以及薄膜图案生成(太阳能电池和液晶屏幕),则最好要满足大于100千赫的条件。

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光束质量对许多应用来说有着决定性影响,低M2并不是在所有场合中适用,因而在考虑是否适合某用途时必须考虑光束质量。低M2光束能在加工域上产生更小更深的斑点,但是更高的峰值功率将导致过度的中心点强度,从而导致问题发生,例如在薄膜制图或清除应用中引发基底损坏。当区域较大时,由于行距较小,就需要较小斑点加工更多次。在这些应用中,高M2光束在更宽的功率分布时,更适用于区域加工。

在SPI公司,我们已经开发了一系列脉冲激光器,可以广泛用于标称需要不同光束质量的应用(见图2)。激光器光束质量的影响极为显著,主要与产生的聚焦斑点尺寸相关。对比研究则显示出斑点尺寸对于标刻和钻孔加工应用的影响。当激光脉冲数量相同时,单模脉冲激光器可以产生窄深的高深宽比的孔,而更高模式的激光器则产生渐宽渐浅的孔。这一结果或许在多数情况下有效,不过要指出的是,最终特征不必严格与估算的斑点尺寸一致,这应该视应用的要求而定。

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在深度雕刻和加工反射材料时,脉冲能量和峰值功率是最主要的特性。当峰值功率大于20千瓦、脉冲能量大于1.25mJ时,光纤激光器能同灯泵浦Nd:YAG激光雕刻机相媲美。但是,最好的雕刻质量通常并不是在峰值功率或脉冲能量参数最高时取得。有些公司专注于像铸模工具这样的复杂三维雕刻应用,他们开发了将光纤激光器同填充技术和脉冲参数相结合的专有方法,使得每一脉冲仅仅除去几微米(见图3)。

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其他材料包括像玻璃碳这样的特殊材料也适于微加工。玻璃碳的高熔点和独特硬度性质使得传统机器加工变得很难,而激光器能解决这一问题。剑桥大学学者的研究(见图4)展示了使用20瓦0.8mJ脉冲激光器对血浆分离器铸模工具进行加工所能达到的精度。

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最初,由于背面反射带来的风险,光纤激光器在加工反射和传导材料时需要很小心。不过,光学隔离技术的发展让用户在这类应用中能够使用光纤激光器。在珠宝行业中的雕刻中,高脉冲能量在低重复率下除去疏松物质,紧接着,高峰值功率的高重复率、短低能量脉冲来做最后一遍的平滑处理工作(见图5)。更高的峰值功率和脉冲能量使铜雕刻成为可能。

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这些用途广泛的激光器也将应用扩展到传统打标和雕刻之外。如今,这些激光器已用于切割、焊接甚至熔接等应用。更高的峰值功率和脉冲能量能够切割包括薄片金属在内的广泛材料。使用远程扫描器技术,还能够切割包括金、铜、银及黄铜在内的厚度高达几百微米的大多数金属。更厚一些的材料需要使用多遍技术来切割,速度会慢一些,对于某些应用来说,仍然比传统激光切割工艺更好。

焊接通常被当作一项直接半导体或者连续波光纤激光工艺。然而,对于热敏感应用来说,传统激光技术并不能完全控制热输入。高重复率脉冲光纤激光器结合快速扫描技术,可以将回流焊接的部件总热输入控制得很低。

随着用户在新MOPA设计中越来越注重灵活性和多功能性,纳秒级光纤激光器的用途正越来越广。模式质量的可调整性以及脉冲特性的可变性有助于应用领域的拓展。

如今,纳秒级光纤激光器已很成熟,应用范围已从标刻加工延伸至更有用武之地的微加工。因此,不管是何种微加工应用,都可以考虑使用脉冲光纤激光器。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (6/18/2010)
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