皮秒激光器的原理及微機(jī)械加工應(yīng)用

?超短激光脈沖的激光切除的優(yōu)點(diǎn)在很多應(yīng)用中得到了證實(shí)，直到最近也沒(méi)有在工廠的地板上發(fā)現(xiàn)這些應(yīng)用的工業(yè)副產(chǎn)物。在工業(yè)應(yīng)用中，除去質(zhì)量因素以外，可重復(fù)生產(chǎn)性和每個(gè)零件的成本也是很重要的標(biāo)準(zhǔn)。?
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??? 激光系統(tǒng)的可靠性當(dāng)然和所使用的激光技術(shù)直接聯(lián)系在一起。每個(gè)零部件的成本基本上和超短激光脈沖的重復(fù)頻率直接聯(lián)系在一起。高附加值，高重復(fù)率的生產(chǎn)力，可靠的技術(shù)等所有這些要求僅僅在最近通過(guò)二極管泵浦的皮秒激光器才完成。

皮秒激光器在大規(guī)模生產(chǎn)中的第一次應(yīng)用在The Photonics West 2005上被報(bào)道。20ps脈沖持續(xù)時(shí)間的1μJ的脈沖被聚焦到薄的鋼箔上，在脈沖光束的方向上一系列同心環(huán)被去除。不同的同心圓環(huán)形成一個(gè)園盤，去除材料的不同圓盤形成一個(gè)錐形孔，這個(gè)孔在專業(yè)的高質(zhì)量的打印頭中作為注入墨水的噴嘴。在過(guò)去幾年中，絕大多數(shù)超快激光器制造商集中精力在飛秒激光器的開(kāi)發(fā)上。這些激光器需要一種復(fù)雜的CPA技術(shù)來(lái)保持峰值功率密度在某一個(gè)損傷閾值下的放大階躍內(nèi)。用這種方式，可以產(chǎn)生mJ水平的脈沖能量，但是重復(fù)率被限制在幾KHZ。比較而言幾百μJ的高脈沖能量對(duì)厚材料的鉆孔或切割是有利的。柴油機(jī)的注入噴嘴的鉆孔就是一個(gè)例子，這里1mm厚的鋼板材料不得不被精密的打孔以致不需要進(jìn)一步的清潔處理。

??? LUMERA LASER 為了這個(gè)應(yīng)用開(kāi)發(fā)了皮秒激光器STACCATO。因?yàn)樗拿}沖時(shí)間在皮秒范圍內(nèi)，STACCATO激光系統(tǒng)不需要CPA技術(shù)。激光工作物質(zhì)Nd:YVO4允許用激光二極管直接泵浦，使其具有高的脈沖能量和高的重復(fù)頻率。STACCATO激光系統(tǒng)在10ps的脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)在1064nm時(shí)輸出10W的平均功率，它的激光束接近衍射極限，能被很理想的聚焦。?

??? 與飛秒激光器相比，達(dá)到100KHZ的非常高的重復(fù)頻率保證了高的生產(chǎn)率。在紫外光譜區(qū)域許多材料有比較高的線形吸收系數(shù)，對(duì)材料的去除來(lái)說(shuō)這是非常有利的。從STACCATO發(fā)出的紅外激光輻射因?yàn)槠浞浅８叩姆逯倒β拭芏饶軌虮晦D(zhuǎn)化成更短的激光波長(zhǎng)532nm，355nm和266nm?！‘?dāng)由STACCATO激光器產(chǎn)生的100μJ的光脈沖打到材料上時(shí)冷切除被觸發(fā)，但是快速擴(kuò)散的等離子體仍然可能導(dǎo)致材料的熱效應(yīng)。因此對(duì)一個(gè)好的結(jié)果而言，不但超短激光脈沖的產(chǎn)生是重要的而且適當(dāng)?shù)墓に嚰夹g(shù)也是重要的。據(jù)證明像開(kāi)孔這樣的工藝對(duì)微機(jī)械加工結(jié)果而言不但適當(dāng)?shù)募庸げ呗允侵匾?，而且偏振控制，適當(dāng)?shù)氖褂幂o助氣體和真空噴嘴也很重要。圖2 展示了在鋼鐵和陶瓷上的高質(zhì)量的小孔。熱引起的裂紋，液化點(diǎn)可以通過(guò)使用適當(dāng)?shù)募庸げ呗员苊?。圖2 左右分別為在鋼鐵和陶瓷上用皮秒激光器加工的孔在材料去除時(shí)伴隨著高脈沖能量的強(qiáng)等離子體的形成引起了一個(gè)問(wèn)題，即市場(chǎng)上能獲得的超快激光器是否為精密的表面加工而設(shè)計(jì)得理想。下面的考慮涉及到超快激光器對(duì)靠近表面的材料的精密去除的理想的參數(shù)。　在許多實(shí)驗(yàn)中一般的經(jīng)驗(yàn)表明，如果在合理的的去除速率條件下最好的精度可以通過(guò)功率密度選擇在5-10倍的閾值超短激光脈沖獲得。對(duì)金屬而言，這意味著10PS的脈沖的能量密度應(yīng)該為1J/cm2。如果微機(jī)械加工的激光束被聚焦成典型的直徑10μm的光斑，那么最佳的脈沖能量應(yīng)該為1μJ。在這種情況下每個(gè)激光脈沖熔化的材料厚度的典型值為10-100nm，等離子的形成是最小的，質(zhì)量是很好的，可以加工出來(lái)0.1μm精度的微結(jié)構(gòu)。

??? STACCATO皮秒激光器的100個(gè)脈沖處理后，材料按照定義的方式被去除，以致激光束的輪廓被映射到材料上。有希望的實(shí)際應(yīng)用是為機(jī)械，化學(xué)，液體設(shè)計(jì)的金屬部件的表面加工。皮秒激光器激光加工可以進(jìn)行幾乎所有高生產(chǎn)率的結(jié)構(gòu)加工。 結(jié)構(gòu)是通過(guò)STACCATO激光器在50KHZ，將532nm的光輻射聚焦到直徑為25μm的一個(gè)點(diǎn)上加工出來(lái)的。渦輪葉片表面的適當(dāng)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能非常顯著地減小摩檫力，燃料消耗和環(huán)境損壞。
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??? 作為上述內(nèi)容的總結(jié)，表面加工激光器應(yīng)該有皮秒級(jí)的脈沖持續(xù)時(shí)間，幾μJ的中等脈沖能量和非常高的重復(fù)率。這樣的激光器最近由LUMERA 投入市場(chǎng)，這款激光器名為RAPID。因?yàn)橄鄬?duì)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，使RAPID這款激光器具有尺寸小的，結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，它由皮秒激光振蕩器，放大器和非常快的Pockels核組成，以致它能提供高達(dá)500KHZ的重復(fù)率。超快激光器的微機(jī)械加工要求各種加工參數(shù)。RAPID的重復(fù)率可以從外部進(jìn)行控制。單脈沖工作，突發(fā)模式或任何外部定義的脈沖序列都可以通過(guò)TTL脈沖來(lái)觸發(fā)。這致使各種加工策略成為可能，并能提供光束路徑的控制。光束束斑質(zhì)量非常好，而且很穩(wěn)定，在各種重復(fù)率的不同環(huán)境下幾乎沒(méi)有任何影響，這些特點(diǎn)是非常顯著的。RAPID的激光束幾乎接近衍射極限因此表現(xiàn)出良好的可聚焦性。它的脈沖持續(xù)時(shí)間大約為10ps，脈沖能量即使在高的重復(fù)率和轉(zhuǎn)換成532nm，355nm，266nm的條件下也是足夠超過(guò)去除金屬的閾值能量的。脈沖與脈沖的能量變化小于1%rms。?
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??? RAPID激光器的技術(shù)設(shè)計(jì)中，其輸出激光參數(shù)、可控性能等指標(biāo)表明該激光器是金屬表面加工的理想工具，如金屬表面打孔，存儲(chǔ)器的修補(bǔ)，以及在半導(dǎo)體工業(yè)中的打標(biāo)等。