超快激光在精细加工中的应用

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。