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透过两次激光企业收购看激光技术的发展方向

  随着激光加工技术的不断进步以及工业化生产的不断升级,激光加工领域不断拓宽。精密激光正不断地替代和突破传统制造工艺,发展潜力巨大。

  皮秒和飞秒脉冲激光器快速进入微加工领域的市场,被用于制造医疗设备。这些“冷加工”激光器在待加工材料中产生的余热效应可以忽略不计,并证明用于下列工业要求的精密加工中十分理想:缝合钻孔、导管焊接以及血液过滤器中的微孔钻孔。这些激光器正在为激光加工构建新兴以及不断扩展的市场,将是这十年中后五年销售收入增长的领先者,预计2012年超快脉冲激光器的全球市场价值将接近7000万美元。

  高功率皮秒/飞秒激光器开创应用新天地

  用超短脉冲激光实现冷消融、冷切割和冷钻孔,是二十多年来人们一直期望能够在工业应用中实现的一个愿景。在过去十年间进行的一些早期实验中,人们用钛蓝宝石放大器产生超快激光,这些实验已经证明了超短激光脉冲在精密机械加工领域所拥有的巨大潜能。但是对于精密机械加工而言,到底多短的脉冲才能满足精密加工的要求呢?当激光脉冲作用到材料上时会发生怎样的反应?对脉冲与材料的作用时间范围有何要求?

  作用原理、作用时间、能量密度

  以金属对激光脉冲的吸收为例,其从根本上说是能量从激光脉冲转移到金属材料的电子的一个能量转移过程。对于持续时间为纳秒级的脉冲而言,电子与所处晶格之间会发生一个温度平衡过程,并且最终开始融化材料,直到部分蒸发。

  在这个过程中,脉冲越短,能量转移到电子的速度越快。在理想条件下,如果脉冲足够短,那么在电子与晶格之间便没有足够的时间产生温度平衡。接下来,“热电子”(相对于冷晶格而言)有两种方式与晶格作用:在一个特征时间后,来自电子的热量开始向周围的晶格扩散。这种电子-声子弛豫时间是物质的一种属性,其典型值为1~10ps。在大致相同的时间范围内,但稍有些延迟,热电子和晶格之间发生了突然的能量转移,从而导致相位爆炸,即激活体的蒸发。

  从上述解释可以得出以下两个基本结论:

  1、激光脉冲的持续时间必须足够短,以防止电子与晶格之间发生温度平衡过程。对于金属和大多数其他材料而言,均要求脉冲持续时间在1~10ps之间甚至更短。

  2、由于在热扩散和消融之间有一个时间延迟,因此始终会存有残余热量,即使是在脉冲最短的情况下。

  因此,冷加工必须定义为在最小的热扩散情况下进行加工,这要求脉冲持续时间在1~10ps之间甚至更短。

  虽然皮秒/飞秒激光脉冲较短的持续时间是冷加工的一个必要条件,但是光有足够短的脉冲还远远不够。如果热电子因为过高的激光能量密度而被“过度加热”,那么热扩散效应将较为明显,整个加工过程则会转变为热过程。一般来讲,大约1J/cm2的能量密度,是用皮秒/飞秒激光脉冲进行消融加工、而不会产生能够测量得到的热效应的最佳能量临界点,即此时具有最佳的低热穿透深度。

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