纳秒脉冲光纤激光器：不止于标刻

作者：Jack Gabzdyl    来源：Industrial Laser Solutions

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, ... 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。 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。 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）。 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。 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。 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)