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如何正确选择激光器应用及未来发展

导读: 20多年前,生产中使用的唯一真正的紫外(UV)激光器是准分子激光器,其典型的脉冲宽度约20ns,在当时也被称为超快脉冲(UFP)激光器。

20多年前,生产中使用的唯一真正的紫外(UV)激光器准分子激光器,其典型的脉冲宽度约20ns,在当时也被称为超快脉冲(UFP)激光器。事实上,Lumonics公司(位于美国马萨诸塞州的贝德福德)拥有一款2ns的激光器,而当时有一些应用,在选择了低纳秒级的脉冲宽度后,其工艺品质出现了明显的差异。

在可见光谱的另一边,几乎全部使用Nd:YAG激光器或其衍生产品来处理红外(IR)。当时的红外光纤激光器(和碟片激光器)不具备任何的工业意义,即便今天它们是行业的主力。针对光谱可见部分的调研工作在那会儿可谓是刚刚开始。

在过去10年内,超快脉冲技术——即脉冲宽度<1ns的激光器已成为生产车间的标准。因此,当为特定任务选择正确的紫外(UV)激光器时,还有一些选择方案可供参考。此外,当购买一款在UV 波长、可见波长和红外波长范围操作的超快脉冲激光器时,通常会一并提供解决方案。在典型的制造环境中,通常仅使用一种波长,因为在该环境中,需要加工处理的部件和材料的数量非常少。对于研发或类似工作车间的环境而言,往往需要用到所有三种波长。在我们的实验室中,我们有纳秒、皮秒和飞秒激光器,所有这些激光器都以红外、可见和紫外波长操作,以便客户可以对多种可能性进行调研,从而为其手头的加工任务选择正确的配置。

图1是一张显示脉冲持续时间(从飞秒到连续波[CW])和波长(从红外到紫外) 的曲线图。具有接近原点(左下)的输出特性的激光器是实现最高品质特性的加工任务的理想选择,因为它们同时具有短波长和短脉冲宽度。 右上方的激光器具有长脉冲宽度和红外波长,因而这些激光器通常不适合于微加工应用,尽管它们可能对诸如焊接、接合、表面处理和增材制造等其它领域会非常有用。值得注意的是,没有提及具有如左上所示的输出特性的激光器的应用— 使用长脉冲UV 激光对于大多数应用会有些适得其反。因此,本文主要重点讨论包在蓝色阴影区域内的激光器。

图1:脉冲持续时间以及波长曲线

此外,尽管CO2激光器准分子激光器均有被提及,并且这两种激光器在材料处理中仍然具有很大价值,但是当前的讨论将集中于波长为2μm至约300nm的激光器。这也排除了四倍频激光器,但是这类激光器在皮秒和飞秒激光器得到商业化之前更为有用。并且基于可靠性问题,它们不被使用,除非绝对有必要(例如准分子激光器)。

表:红外、可见光及紫外激光器的特征

上表显示了本文所讨论的三种波长的一些特征。 简而言之,紫外光子的成本更高,并且其功率比红外光子更低,但是可以实现更小,更清洁的特征,并且材料去除更为精确,但要比使用红外光子更慢。 可见波长用于需要的应用领域,例如透明材料的背面处理或去除氧化铟锡(ITO),但鉴于眼睛安全问题,通常首先考虑其它的替代方案。

纳秒激光器

二极管泵浦固态(DPSS)激光器是在20世纪90年代末被首次引入工业环境的。 当时,第一台此类激光器仅具有几瓦的低输出功率,其波长为355nm。在二极管泵浦之前,使用灯泵浦可获得激光,但是这类激光器是非常不可靠的。当时,几瓦的纳秒紫外光的成本超过10万美元。

随后,纳秒激光器的市场变得越来越成熟,而这些激光器现在也可以从许多不同的制造商(提供红外、可见和紫外波长)处购买到,10W紫外输出功率的纳秒激光器的价格低于5万美元。在大多数情况下,这些激光器的脉冲持续时间介于几十到几百纳秒的范围内。

皮秒激光器

皮秒激光器是一种脉宽为皮秒的激光器。具有皮秒级超短脉宽、重复频率可调、脉冲能量高等特点。皮秒激光器在2005年首次得到商业化引入,超快激光器领导者Lumera Laser公司(现已被美国相干公司收购)是当时主要的市场参与者。当然,见证许多其它参与者涌入这个市场并没有花费太长的时间——现在,无论是科研用激光器或是工业用激光器,都能提供多种选择。几乎所有的皮秒激光器的脉冲宽度都介于2ps到20ps之间。有一些激光器的脉冲宽度为几百皮秒,但这些激光器在大多数的应用中都是值得商榷的。事实上,该脉宽范围的很大一部分被称为“死亡谷”,因为材料的交互作用和性能相当差—— 当然和使用纳秒激光器一样糟,并且在许多情况下,质量甚至更差。所以当讨论皮秒激光器时,应当指的是脉冲宽度低于20ns(可能长达50ns,但不再超过)的激光器。

针对超快脉冲(UFP) 激光器效用的断言之一是存在与波长无关的吸收性。在更短的脉冲宽度范围,这一点可能是对的,但是在10ps 的脉冲宽度下,使用红外波长与紫外波长加工的部件的质量几乎总会产生差异。

图2:使用纳秒激光器和皮秒激光器加工的聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)。

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责任编辑:TD
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