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纳秒激光、皮秒激光、飞秒激光

   发布时间:03-18   浏览次数:707

大家对激光加工并不陌生,但你对经常能听到的纳秒激光、皮秒激光、飞秒激光等,你是否能分得清呢?

我们先来搞清楚时间单位换算
1ms (毫秒)=0.001秒=10-3秒
1μs (微秒)=0.000001=10-6秒
1ns (纳秒)=0.0000000001秒=10-9秒
1ps (皮秒)=0.0000000000001秒=10-12秒
1fs (飞秒)=0.000000000000001秒=10-15秒

搞清楚了时间单位,我们就知道了飞秒激光是一种极其超短脉冲的激光加工。近十年来,超短脉冲激光加工技术取得突飞猛进的发展。

超短脉冲激光的意义

人们很早就尝试利用激光进行微加工。但是由于激光的长脉冲宽度和低激光强度造成材料熔化并持续蒸发,虽然激光束可以被聚焦成很小的光斑,但是对材料的热冲击依然很大,限制了加工的精度。唯有减少热影响才能提高加工质量。

当激光以皮秒量级的脉冲时间作用到材料上时,加工效果会发生显著变化。随着脉冲能量急剧上升,高功率密度足以剥离外层电子。由于激光与材料相互作用的时间很短,离子在将能量传递到周围材料之前就已经从材料表面被烧蚀掉了,不会给周围的材料带来热影响,因此也被称为“冷加工”。凭借冷加工带来的优势,短与超短脉冲激光器进入到工业生产应用当中。

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激光加工:长脉冲 VS 超短脉冲

超短脉冲加工能量极快地注入很小的作用区域,瞬间高能量密度沉积使电子吸收和运动方式发生变化,避免了激光线性吸收、能量转移和扩散等影响,从根本上改变了激光与物质相互作用机制。

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长脉冲激光加工后的部位
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超快激光脉冲加工后的部位
激光加工的广泛应用

激光加工包含高功率切割、焊接;微加工之钻孔、划线、切割、纹理、剥除、隔离等,各种激光加工手段的主要用途有:

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1. 钻孔

电路板设计中人们开始用陶瓷基底代替常规的塑料基底以实现更好的导热效果。为了连接电子元件,一般需要在板上钻高达数十万个μm级的小孔。因此保证基底的稳定性不会受到钻孔过程时热输入的影响就变得十分重要,皮秒激光正是这个应用的理想工具。

皮秒激光能以冲击钻探的方式完成孔的加工,并保证孔的均匀性。除了电路板,皮秒激光还可以对塑料薄膜、半导体、金属膜和蓝宝石等材料进行高质量钻孔。

100μm不锈钢薄片,钻孔,3.3ns vs 200fs ,1万个脉冲,烧蚀阈值附近:
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2. 划线,切割

通过扫描的方式叠加激光脉冲可以形成线。通常要通过大量的扫描可以深入到陶瓷内部,直到线的深度达到材料厚度的 1/6。然后沿着这些刻线从陶瓷基底上分离单个模块。这种分离方法叫做划线。

另一种分离方法是使用超短脉冲激光烧蚀切割,也称为消融切割。激光对材料进行烧蚀,去除材料直到它被切透。这个技术的好处是加工的孔的形状和尺寸具有较大的灵活性。所有的工艺步骤可以通过一台皮秒激光器完成。

皮秒激光和纳秒激光在聚碳酸酯材料上进行划线加工的不同效果。
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3. 线烧蚀(去除镀层)

另外一种经常被视作微加工的应用是在不损害或轻微损害基底材料的情况下精确去除涂层。烧蚀既可以是几微米宽的线,也可以是几平方厘米的大面积去除。

由于涂层的厚度通常远小于烧蚀的宽度,以至于热量不能在侧面传导。因此可以使用纳秒级脉冲宽度的激光。

高平均功率激光、方形或矩形传导光纤、平顶光强分布,这几项技术的结合使得激光面烧蚀得以在工业领域得到应用。例如:使用通快公司的 TruMicro 7060 激光器去除薄膜太阳电池玻璃上的涂层。同样的激光器也可以应用在汽车工业中对抗腐蚀涂层进行去除,为后续焊接做准备。

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4. 表面结构化

结构化可以改变材料表面的物理特性。根据荷花效应,疏水性表面结构让水从表面流掉。用超短脉冲激光器在表面创造亚微米结构可以实现这个特性,并可以通过改变激光参数对所要创造的结构进行精确控制。

相反的效果,例如亲水性表面,同样可以实现,而且微加工还可以创造更大尺寸的结构。这些工艺可以用于发动机中的油箱来制造一些降低磨损的微结构,或者在金属表面结构化实现与塑料的焊接。

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5. 雕刻成型

雕刻成型是通过烧蚀材料创造三维形状。尽管烧蚀的尺寸可能会超过传统意义上所说的微加工的范畴,但是它所需的精度还是使它被划分到这类激光应用领域。皮秒激光可以用于加工铣床的多晶金刚石刀具边缘。

激光是加工多晶金刚石的理想工具,多晶金刚石是可以制作铣刀刀刃的极为坚硬的材料。使用雕刻成型技术来加工铣刀的切屑槽和齿,这种情形下激光的好处是非接触和高加工精度。

微加工具有非常广阔的应用前景,越来越多的生活用品正通过激光微加工进入我们的视野。

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激光加工属于无接触式加工,具有后续工艺少,可控性好、易于集成,加工效率高、材料损耗小,环境污染低等显著优势,已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等行业,对提高产品质量、劳动生产率、自动化程度、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。

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