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激光精细加工的工业应用探析

2013-05-08 10:27
老猫
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  ——随着超快激光技术的发展,其技术的突破为精细加工行业带来了希望。在精细加工领域,飞秒激光正在取代皮秒激光成为最热门的话题。本文结合激光精细加工的发展过程,主要对飞秒激光的应用进行阐述。

  1. 引言

  从1960年第一台红宝石激光器诞生至今,人们对激光技术的探索从未止步。激光因其优越的特性越来越多地为人们所知,更多的应用被发掘出来,尤其是在对高新技术比较敏感的工业领域。就人类社会发展的现阶段,工业需求是社会发展的强大动力。激光应用于工业加工领域已经有20多年的历史,其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

  在第一台激光器诞生之初,功率较低,系统整体较大,无法直接应用于工业加工领域。这之后的几十年里,随着激光技术的发展与新型激光介质的出现,激光技术瓶颈不断突破,激光器无论从深度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:

  第一阶段是纳秒(1ns=10-9s)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,半导体可饱和吸收镜(SESAM)使皮秒(1ps=10-12s)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。一时间,精细加工成为热点话题。

  然而,第三阶段,真正做到精细加工是在飞秒(1 fs=10-15 s)激光下实现的。

  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 fs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1ps内将能量传递给晶格;

  (3)在10ps时间内,这些能量将被逐步传递到材料内部。

  因此,对于10 ps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,脉冲作用时间已经小于1ps,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。图1为长脉冲激光与飞秒激光对比。

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