超快激光精细加工的应用情况简介

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1、超快激光精细加工的应用情况简介时fa］：2011-08-0714:54发布人:星之球激光点击：316次1.引言从I960年第一台红宝石激光器诞生至今，人们对激光技术的探索从未曾止步。因其优越的特性越来越多的为人们所知，更多的应用将被发掘出来，尤其是对高新技术比较敏感的工业领关键字：超快激光，梢细加工1.引言从1960年第一台红宝石激光器诞生至今，人们对激光技术的探索从耒曾止步。I大I其优越的特性越來越多的为人们所知，更多的应用将被发掘出來，尤其是对高新技术比较敏感的匸业领域。可以说，就人类社会发

2、展的现阶段，匸业需求是社会发展的最强人的动力。激光应用于工业加工领域已经仃20多年的历史，激光在T业领域的应用的深度和广度都己经达到了前所未有的阶段。2.激光加工工业的发展在第一台激光器诞生之初，功率较低，系统整体较人，实际上无法肓接应用于丁业加工领域。在这Z后的几十年里，随着激光技术的发展，新的激光介质的出现，激光技术瓶颈的突破，激光器无论从深度上述是广度上都有很大的进步。激光在丄业中的应用Z多，数不胜数，如：激光印刷，刻录,打标，雕刻，焊接，切割,毛化，调阻,熔敷等等，且潜力巨大。从上世纪8

3、0年代开始，从深度上来看，激光加工工业的发展主要经历了三个阶段：第•阶段是纳秒激光器应用阶段。调Q技术获得的纳秒脉冲，其峰值功率远高于平均功率，能够实现连续激光器无法达到的髙瞬时功率密度，从而瞬间超过材料破坏阈值，实现刻蚀效果。第二阶段是木世纪伊始，SESAM（半导体可饱和吸收镜）使皮秒激光技术迅猛发展，）［■很快应用于工业屮。皮秒激光器-直以来都是通过染料进行锁模，但是染料需要循环，且经常容易漂口而影响锁模的稳定性。SESAM不但能够代替染料进行锁模，而口能够实现口康动。在此背景下，迅速涌现出

4、了众多商业化的工业级皮秒激光器。相较纳秒激光，皮秒激光器以其更短的脉冲宽度，更高的峰值功率，能够实现更精细的加工效果。因此，一时间，精细加工成为热点话题。然而，真正做到精细加工是在飞秒激光卜•实现的，这也是我们说的笫二阶段。我们白先來看激光与固体之间的相互作用机理：（1）激光首先激发的是固体的电了，在100飞秒的时间内电了吸收光了的能最而跃迁到高能级；（2）由于电子相对于晶格的温度更高，因此其处于非平衡态。为了达到平衡，电子会在1皮秒的时间内将能量传递给晶格；（3）在10皮秒的时间内，这些能量将

5、被逐步传递到材料内部。因此，对于10皮秒左右的皮秒激光加工，材料有足够的时间把热量传递到萇内部，然示才发生刻蚀作用，因此热效应实际上无法避免。而对于飞秒激光而言，脉冲作用时间已经实际小r1皮秒，电了没冇足够的时间将能量传递给晶格。从而在材料表面生成众多等离了体，能量伴随着材料的去除而消散，因此出现强烈的刻蚀效果。也就是说，当激光脉宽远远小于晶格的受热时间时，烧蚀时间不依赖于激光脉宽。从I:面三个阶段，我们可以看到，激光加工的发展与激光器的发展基木I:是同步的,一个新的技术突破，就可能迎来激光工业

6、应用的飞跃，当然，也会带来新的疑问：第一，皮秒激光器既然无法完全避免加工时的热效应，那是否它就対梢细加工就没有意义，或者说已经失去了存在的价值和必要性？当然不是。皮秒激光虽然无法实现精细的冷加工，但相对丁•飞秒激光器，价格较低，且结构相对简单，功率较高。因此，对于这样一个超短脉冲技术的过度性产品，如何充分利用就值得我们思考了。冃前比较值得借鉴的方法是，将皮秒激光进行三倍频，利川紫外光于材料的''光蚀〃作用，高能量的光了通过''冷〃处理直接破坏材料的化学键，从而减小加工的热效应，实现''冷"加工。

7、目前，该系统对于透明性材料加工有其较人的优势。此类激光器很多，例如Photonicsindustry公司的15ps的355nm激光器。笫二，飞秒激光器能够实现非热刻蚀，那是不是脉冲宽度越短，加工越精细呢？实际.匕刻蚀效果少六个主要因素有关：平均功率，脉宽，波长，谱宽，单脉冲能量，频率。一般來说，脉冲宽度越短，就很难获得高平均功率，因此，从这方面來说，短脉冲是以牺牲平均功率为代价的。另外，脉冲宽度越窄，谱宽就会越大，因此，色差也会影响加工效果。其次是波长的影响，对于一般材料而言，波长对刻蚀效果影响

8、不大，只有在对透明材料(如Si02)进行加工的时候才考虑，而且皿该考虑波长的问题。如前面所说，透明材料对紫外光有强烈的吸收，而对于可见和红外光的透过率却很高。因此通常将超快激光的三倍频光用來加工。对于儿十飞秒的激光器而言，光谱宽度达到20nm,甚至是50nm,因此三倍频效率非常低。而皮秒激光器却能获得较高的三倍频率输出。频率则会影响加工速度。一•般來说是越高越好，但是通常只有振荡器才是80MHz左右，而振荡器的单脉冲能呈太低，因此盂要放人，放人器的频率一般从lKHz到儿百KHz不等。因此，対于超