公司新闻

FLS激光在精细加工领域的应用

FLS激光在精细加工领域的应用
 1.引言
从1960年**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域。可以说,就人类社会发展的现阶段,工业需求是社会发展的*强大的动力。激光应用于工业加工领域已经有20多年的历史,激光在工业领域的应用的深度和广度都已经达到了前所未有的阶段。
2.激光加工工业的发展
在**台激光器诞生之初,功率较低,系统整体较大,实际上无法直接应用于工业加工领域。在这之后的几十年里,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还是广度上都有很大的进步。激光在工业中的应用之多,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80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:
**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高瞬时功率密度,从而瞬间超过材料破坏阈值,实现刻蚀效果。
第二阶段是本世纪伊始,SESAM(半导体可饱和吸收镜)使皮秒激光技术迅猛发展,并很快应用于工业中。皮秒激光器一直以来都是通过染料进行锁模,但是染料需要循环,且经常容易漂白而影响锁模的稳定性。SESAM不但能够代替染料进行锁模,而且能够实现自启动。在此背景下,迅速涌现出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下实现的,这也是我们说的第三阶段。我们首先来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子,在100飞秒的时间内电子吸收光子的能量而跃迁到高能级;
(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其内部,然后才发生刻蚀作用,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于1皮秒,电子没有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子体,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。

从上面三个阶段,我们可以看到,激光加工的发展与激光器的发展基本上是同步的,一个新的技术突破,就可能迎来激光工业应用的飞跃,当然,也会带来新的疑问:
**,皮秒激光器既然无法完全避免加工时的热效应,那是否它就对精细加工就没有意义,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,但相对于飞秒激光器,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。目前比较值得借鉴的方法是,将皮秒激光进行三倍频,利用紫外光于材料的“光蚀”作用,高能量的光子通过“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。目前,该系统对于透明性材料加工有其较大的优势。
第二,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?实际上,刻蚀效果与六个主要因素有关:平均功率,脉宽,波长,谱宽,单脉冲能量,频率。
一般来说,脉冲宽度越短,就很难获得高平均功率,因此,从这方面来说,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不大,只有在对透明材料(如SiO2)进行加工的时候才考虑,而且应该考虑波长的问题。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来加工。对于几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。一般来说是越高越好,但是通常只有振荡器才是80MHz左右,而振荡器的单脉冲能量太低,因此需要放大,放大器的频率一般从1KHz到几百KHz不等。
因此,对于超快激光加工,不能盲目追求超短脉冲,必须看实际的需求。而且脉冲极短而高功率的飞秒激光器,价格不菲。就目前的精细加工需求而言,百飞秒级,几百KHz频率的激光器应该是足够应对通常的精细加工需求,而且该激光器采用光纤激光器振荡器,能够做到长寿命,免维护,这是一个亮点。指标,价格,稳定性,综合性价比来看,该激光器是非常不错的。
近两年,飞秒激光技术得到了飞速提高,我国经济也稳步发展,国外更多的先进产品涌进来。
3.激光精细加工
对于一套激光精细加工系统,除了激光器外,整个系统平台的搭建,软件控制也是一个重要的问题。任何一个方面的缺憾,都足以影响整个系统的性能。
软件方面,普通的标刻软件已经无法满足需求,在纳秒脉冲打标下无须考虑的很多问题,如何克服首脉冲,拐角漏点等摆在我们面前。
硬件方面,由于目前*好的振镜的定位精度也只能达到十微米级别,很难胜任更精细的加工,因此,通常选用速度较慢而精度极高的位移平台来组建系统,高精度位移平台能够实现纳米级的**控制。同时,还要考虑光路系统和聚焦系统的设计问题,矫正像差和色差以实现更小的聚焦光斑。
除此之外,为满足不同加工需求,还要考虑夹具,工艺等多方面的问题。例如,心血管支架的加工因为是柱面刻蚀,所以对软件和夹具有不同于平面加工的要求,而且难度更大。

激光加工的心血管支架
再如调节焦距,使得焦斑的中心强度刚好达到材料的多光子电离阈值,则加工过程中的能量吸收和作用**于焦点中心位置处的很小一部分体积内,而不是整个聚焦光斑辐照的区域。这样,可以实现比聚焦光斑小得多的加工尺寸。 
4.结语
随着我国经济和工业需求的发展,精细加工已经成了激光加工领域的热点,目前,中国的精细加工还处在萌芽阶段,因此,具有两方面的内涵:
**、萌芽阶段意味着不成熟,目前在国内尚没有成熟的商品化飞秒精细加工系统,需要我们更多的探索,或许在探索中会走弯路,会付出一定的代价,但这对于未来可能获得的回报而言,是值得的。为了避免尽量少的走弯路,减少不必要的损失,应该更多的注意方法,更**的考虑问题。精细加工问题,不仅仅是激光器的问题,而是系统**优化以实现更高精度要求的问题,刻蚀效果是我们追求的*终目标。国外已经有比较成熟的产品,而国内还没有,彼此的差别并不仅仅是激光器,还有工艺问题。工艺研究是一门复杂的科学,一个复杂的系统,需要一个团队的不懈努力,例如软件参数的设置和工艺效果的尝试。尽管激光器是关键部件,但只把眼界局限在激光器上,而忽略了整体系统的集成和优化是我们的致命伤。
第二、而对起步阶段的中国精细加工领域来说,正因为没有成熟的飞秒精细加工系统,因此市场潜力巨大。