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超快激光在精细加工中的应用

* 来源: * 作者: * 发表时间: 2019-10-22 10:16:10 * 浏览: 18
1.简介自1960年Ruby激光器诞生以来,对激光技术的探索从未停止。越来越多的人以其卓越的特性而闻名,并且将发现更多的应用程序,特别是在对高科技敏感的工业领域。可以说,在人类社会发展的现阶段,工业需求是社会发展的最强大动力。激光在工业加工中已经使用了20多年,并且激光在工业领域中的应用深度和广度达到了前所未有的阶段。 2.激光加工产业的发展台湾激光诞生之初,功率低,系统整体规模大,无法直接应用于工业加工领域。在随后的几十年中,随着激光技术的发展,新型激光介质的出现,激光技术瓶颈的突破,激光在深度和广度上都取得了长足的进步。激光在工业上有许多应用,例如:激光印刷,燃烧,标记,雕刻,焊接,切割,纹理,电阻,焊接等,并具有巨大的潜力。从深度上看,自1980年代以来,激光加工工业的发展经历了三个阶段:该阶段是纳秒级激光应用阶段。通过Q开关技术获得的纳秒脉冲具有比平均功率高得多的峰值功率,可以实现连续激光无法实现的高瞬时功率密度,从而瞬间超过材料破坏阈值并获得蚀刻效果。第二阶段是本世纪初,半导体饱和吸收镜SESAM使得皮秒激光技术发展迅速,并在工业中得到快速应用。皮秒激光器传统上已被染料锁模,但是染料需要回收利用,并且经常容易漂白,以影响夹持的稳定性。 SESAM不仅可以代替用于夹紧模具的染料,还可以实现自启动。在这种情况下,出现了许多商业工业级皮秒激光器。与纳秒激光器相比,皮秒激光器以更短的脉冲宽度和更高的峰值功率实现了更好的处理。因此,一段时间以来,精细加工已成为热门话题。但是,真正的精细加工是在飞秒激光下实现的,这是我们正在谈论的第三阶段。我们首先看一下激光与固体之间的相互作用机理:(1)激光首先激发固体电子,该固体电子吸收光子的能量并在100飞秒内转变为高能级,(2)由于电子相对,晶体中的温度较高,因此处于非平衡状态。为了达到平衡,电子将在1皮秒内将能量转移到晶格中,(3)在10皮秒中将能量逐渐转移到材料内部。因此,对于约10皮秒的皮秒激光加工,材料具有足够的时间将热量传递到其内部,然后发生蚀刻,因此实际上不可避免地会产生热效应。对于飞秒激光器,脉冲作用时间实际上少于1皮秒,并且电子没有足够的时间将能量转移到晶格上。因此,在材料的表面上产生大量的等离子体,并且能量随着材料的去除而耗散,从而产生强的蚀刻效果。也就是说,当激光脉冲宽度远小于晶格的加热时间时,消融时间不取决于激光脉冲宽度。从以上三个阶段可以看出,激光加工的发展与激光的发展基本同步。一项新的技术突破可能会在激光行业的应用中迎来飞跃。当然,它也会带来新的问题。 :由于皮秒激光不能完全避免加工过程中的热效应,因此它对精细加工没有任何意义,还是失去了价值和存在的必要性?当然不是。尽管皮秒激光器无法实现良好的冷加工,但与飞秒激光器相比,它们相对便宜,并且具有相对简单的结构和高功率。因此对于这样的超短脉冲技术,如何充分利用它是值得思考的。目前,有必要学习如何使用皮秒激光将频率提高三倍,使用紫外光来实现“光蚀刻”效果,以及高能光子如何通过。冷处理直接破坏了材料的化学键,从而降低了过程的热效应。实现“冷加工”。目前,该系统在加工透明材料方面具有很大的优势。有很多这样的激光器,例如Photonicsindustry的15 ps 355 nm激光器。其次,飞秒激光可以实现非热蚀刻。脉冲宽度越短,处理越精细?实际上,蚀刻效果与六个主要因素有关:平均功率,脉冲宽度,波长,光谱宽度,单脉冲能量,频率。通常,脉冲宽度越短,获得高平均功率就越难,因此,就此而言,短脉冲是以平均功率为代价的。另外,脉冲宽度越窄,光谱宽度越大,因此色差也影响处理效果。第二是波长的影响。对于一般材料,波长对蚀刻效果影响很小。仅在处理透明材料(例如SiO2)时才考虑使用它,并且应考虑波长问题。如前所述,透明材料对紫外线的吸收强,对可见光和红外光的透射率高。因此,超快激光器的三倍频通常用于加工。对于几十飞秒的激光器,光谱宽度为20 nm甚至50 nm,因此三重频率效率非常低。皮秒激光可以实现更高的三频输出。