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采用短脉冲激光器进行微加工应用

2009-04-30 11:24
冷血の爱
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作者:Ronald D. Schaeffer,Gabor Kardos,Scott Murphy,David Grossman

        我们以前曾经报道过使用不同的激光器加工不同的材料。一般来说,波长越短,目标峰值功率密度越高,效果将越好。实际上,对于几十纳秒范围内的长脉冲长度,波长依赖性更为重要。当脉冲长度变得更短时,波长依赖性降到最低。针对更短脉冲激光器用于材料加工和微加工的应用,本文叙述了一些有趣的发现。 

        作为首要要求,成功地对一种材料进行微加工,就得要求材料可有效吸收激光器输出波长的光。根据应用紫外线(UV)的经验,一个成功的微加工将要求在0.1微米深度之内吸收50%的激光脉冲。 
        

        评估的第一种激光器是二极管泵浦固体激光器。目前的应用涉及塑料、金属、陶瓷和玻璃基底。直到最近,使用了输出波长为355nm、典型脉冲持续时间为40-60ns或以上的激光器,它在这些应用中有上佳表现。但是,不断微型化的需要以及更佳边缘质量的附加要求正在推动这些激光器的发展。使用更短波长(266nm)可以达到优良的解析度和边缘质量,但是会增加加工成本。在许多材料中,只要使用更短输出脉冲的355nm激光器,即可达到相似结果。 

        本文中,我们论述了为什么可以达到这种效果并举了几个示例。使用更短脉冲激光器可能还有其它成本优势。由于边缘更清洁,残留物质最低,因此具有加工后无需清洁的优点。
        
        两种激光器(Coherent Avia和Matrix)采用相似的方式进行光学设置,即将光束扩展入Scanlab HurryScan的10或14个振镜,以达到大约4-8英寸的最小焦点。这样可以在目标上面产生大约20微米的焦点。我们已经在广泛研究中表明,在许多材料中,只需使用可以产生更短脉冲宽度和高质量光束的355nm激光器,即可达到266nm加工的可比结果。我们特别发现,在脉冲宽度为大约20ns或更低、M2低于1.3时,这些材料的周围热效应大大降低。关键是拥有脉冲宽度如此短以及高质量光束的可靠激光器。 
        

        获得更短脉冲宽度的一种方式是降低脉冲重复率,但是这样将减慢许多机加工工艺的产出量。或者,通过建立更短的激光腔孔以及将更多能量泵入激光器晶体,可以达到更短脉冲宽度。在高达80kHz的脉冲重复率时,Matrix的355nm系列激光器可以产生10-20ns脉冲宽度,脉冲能量稳定性高(噪音一般为1-2% RMS),光束质量高(M2~1.2)。 
         
        塑料加工 


        医疗设备中通常使用的几种聚合物材料在355nm时吸收性强。典型示例是聚酰亚胺,它可以受益于355nm短脉冲。图1显示在相同样品上面采用355nm短脉冲激光器、355nm更长脉冲激光器以及266nm激光器进行微加工的典型效果。可以看出,经济的355nm方式将产生不能辨别的效果,因此是最佳选择。聚脂薄膜吸收量更少,但是355nm短脉冲激光器仍然可以产生与266nm激光器几乎相同的效果(参见图2)。因此,再次说明,355nm短脉冲激光器具有成本更低和产出量更高的优点,使其成为首选。 
 



 

        采用这些有机聚合物时,UV的吸收量取决于粘接结构。双粘接材料在更长波长时吸收,包括355nm。但是,高度饱和聚合物的吸收量受限于更短波长,因此要求266nm激光器。最好的例子是特氟隆,即使在266nm时也很难加工纯材料。幸运的是,大多数医疗设备应用中使用具有彩色添加剂的特氟隆,即使在可见光条件下也可以吸收。因此,此处的355nm短脉冲激光器可以产生优良的效果。对于特氟隆,选择最优的激光器关键在于含有什么添加剂。 
         
        金属 

        对于大多数金属来说,采用355nm短脉冲激光器产生的效果几乎与采用266nm激光器时的效果一样优良(参见图3)。266nm激光器产生的效果稍好,可能是由于金属导热性能高,削弱了采用短脉冲方式时热量降低的优点。在大多数情况下,这种边际差异不太重要,因此,使用355nm短脉冲激光器时,大多数金属锡箔应用的加工性能优良。 

        超短脉冲激光器(由Raydiance公司制造)具有大约500fs的脉冲长度,数量级低于上面讨论的激光器。基本输出约为1微米波长。不幸的是,每个脉冲的能量极低(<10 J/脉冲),因此不能真正有效使用振镜,因为在目标上面的要求焦点尺寸小于5微米,以获得充足的能量密度去除清洁材料。因此,这种激光器的光束是通过显微镜的物镜提供的,使用旋转台移动,而不是移动光束。这意味着加工时间长,但加工质量特别优异。 
         
 
 
 

        由于成本高,这些类型的激光器通常用于对加工质量和新工艺要求更高的应用。图4所示的是切割聚能装药的雷管。我们加工的是一种高度专有材料,这种材料在受到撞击(物理撞击/锤击,甚至是单激光脉冲撞击)时爆炸性极强。除了切割材料性能优良的Raydiance激光器以外,我们不能使用其它激光器。这是十分重要的,因为需要一种制造方法形成这些聚能装药,然后具有一种点燃它们的简便方法(激光脉冲撞击)。 

        总之,更短脉冲可以产生更清洁的效果,脉冲变得更短,波长依赖性降到最低。我们认为(假设吸收量大且焦点尺寸小,即在目标物上的能量密度高),脉冲长度超过20ns时将几乎总是显示出热影响,脉冲长度为1ns至20ns时可能会也可能不会显示出热影响;在许多应用中,低于1ns的脉冲宽度显示热影响很小或没有影响。 

        使用飞秒激光器,我们可以达到极度优良的切割性能,但是成本和速度是大规模制造的两个问题。作为一种合理的平衡,市场上的皮秒激光器(比如Lumera的产品)显示可以产生极佳的加工质量(参见图5)和经济有效的加工速度,尽管其经济性比不上使用商用355nm短脉冲激光器的情况。
        
        本文作者Ronald D. Schaeffer博士是美国Photomachining Inc.的首席执行官(rschaeffer@photomachining.com),Gabor Kardos是客户服务副总裁,Scott Murphy和David Grossman是应用工程师。公司网址:www.photomachining.com。 

        作者注释:本文提及的公司以及我们研究中的产品仅为示例,不能认为相似规格的其它产品的性能不好——或许会更好。  
 

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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