- 皮秒激光器的原理及其應用
- 金屬表面打孔
- 存儲器的修補
- 以及在半導體工業(yè)中的打標
超短激光脈沖的激光切除的優(yōu)點(diǎn)在很多應用中得到了證實(shí)，直到最近也沒(méi)有在工廠(chǎng)的地板上發(fā)現這些應用的工業(yè)副產(chǎn)物。在工業(yè)應用中，除去質(zhì)量因素以外，可重復生產(chǎn)性和每個(gè)零件的成本也是很重要的標準。
激光系統的可靠性當然和所使用的激光技術(shù)直接聯(lián)系在一起。每個(gè)零部件的成本基本上和超短激光脈沖的重復頻率直接聯(lián)系在一起。高附加值，高重復率的生產(chǎn)力，可靠的技術(shù)等所有這些要求僅僅在最近通過(guò)二極管泵浦的皮秒激光器才完成。
皮秒激光器在大規模生產(chǎn)中的第一次應用在The Photonics West 2005上被報道。20ps脈沖持續時(shí)間的1μJ的脈沖被聚焦到薄的鋼箔上，在脈沖光束的方向上一系列同心環(huán)被去除。不同的同心圓環(huán)形成一個(gè)園盤(pán)，去除材料的不同圓盤(pán)形成一個(gè)錐形孔，這個(gè)孔在專(zhuān)業(yè)的高質(zhì)量的打印頭中作為注入墨水的噴嘴。在過(guò)去幾年中，絕大多數超快激光器制造商集中精力在飛秒激光器的開(kāi)發(fā)上。這些激光器需要一種復雜的CPA技術(shù)來(lái)保持峰值功率密度在某一個(gè)損傷閾值下的放大階躍內。用這種方式，可以產(chǎn)生mJ水平的脈沖能量，但是重復率被限制在幾KHZ。比較而言幾百μJ的高脈沖能量對厚材料的鉆孔或切割是有利的。柴油機的注入噴嘴的鉆孔就是一個(gè)例子，這里1mm厚的鋼板材料不得不被精密的打孔以致不需要進(jìn)一步的清潔處理。
LUMERA LASER 為了這個(gè)應用開(kāi)發(fā)了皮秒激光器STACCATO。因為它的脈沖時(shí)間在皮秒范圍內，STACCATO激光系統不需要CPA技術(shù)。激光工作物質(zhì)Nd:YVO4允許用激光二極管直接泵浦，使其具有高的脈沖能量和高的重復頻率。STACCATO激光系統在10ps的脈沖持續時(shí)間內在1064nm時(shí)輸出10W的平均功率，它的激光束接近衍射極限，能被很理想的聚焦。
與飛秒激光器相比，達到100KHZ的非常高的重復頻率保證了高的生產(chǎn)率。在紫外光譜區域許多材料有比較高的線(xiàn)形吸收系數，對材料的去除來(lái)說(shuō)這是非常有利的。從STACCATO發(fā)出的紅外激光輻射因為其非常高的峰值功率密度能夠被轉化成更短的激光波長(cháng)532nm，355nm和266nm?！‘斢蒘TACCATO激光器產(chǎn)生的100μJ的光脈沖打到材料上時(shí)冷切除被觸發(fā)，但是快速擴散的等離子體仍然可能導致材料的熱效應。因此對一個(gè)好的結果而言，不但超短激光脈沖的產(chǎn)生是重要的而且適當的工藝技術(shù)也是重要的。據證明像開(kāi)孔這樣的工藝對微機械加工結果而言不但適當的加工策略是重要的，而且偏振控制，適當的使用輔助氣體和真空噴嘴也很重要。圖2 展示了在鋼鐵和陶瓷上的高質(zhì)量的小孔。熱引起的裂紋，液化點(diǎn)可以通過(guò)使用適當的加工策略避免。圖2 左右分別為在鋼鐵和陶瓷上用皮秒激光器加工的孔在材料去除時(shí)伴隨著(zhù)高脈沖能量的強等離子體的形成引起了一個(gè)問(wèn)題，即市場(chǎng)上能獲得的超快激光器是否為精密的表面加工而設計得理想。下面的考慮涉及到超快激光器對靠近表面的材料的精密去除的理想的參數?！≡谠S多實(shí)驗中一般的經(jīng)驗表明，如果在合理的的去除速率條件下最好的精度可以通過(guò)功率密度選擇在5-10倍的閾值超短激光脈沖獲得。對金屬而言，這意味著(zhù)10PS的脈沖的能量密度應該為1J/cm2。如果微機械加工的激光束被聚焦成典型的直徑10μm的光斑，那么最佳的脈沖能量應該為1μJ。在這種情況下每個(gè)激光脈沖熔化的材料厚度的典型值為10-100nm，等離子的形成是最小的，質(zhì)量是很好的，可以加工出來(lái)0.1μm精度的微結構。
STACCATO皮秒激光器的100個(gè)脈沖處理后，材料按照定義的方式被去除，以致激光束的輪廓被映射到材料上。有希望的實(shí)際應用是為機械，化學(xué)，液體設計的金屬部件的表面加工。皮秒激光器激光加工可以進(jìn)行幾乎所有高生產(chǎn)率的結構加工。 結構是通過(guò)STACCATO激光器在50KHZ，將532nm的光輻射聚焦到直徑為25μm的一個(gè)點(diǎn)上加工出來(lái)的。渦輪葉片表面的適當設計的結構能非常顯著(zhù)地減小摩檫力，燃料消耗和環(huán)境損壞。
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作為上述內容的總結，表面加工激光器應該有皮秒級的脈沖持續時(shí)間，幾μJ的中等脈沖能量和非常高的重復率。這樣的激光器最近由LUMERA 投入市場(chǎng)，這款激光器名為RAPID。因為相對簡(jiǎn)單的設計，使RAPID這款激光器具有尺寸小的，結構緊湊的特點(diǎn)，它由皮秒激光振蕩器，放大器和非?？斓腜ockels核組成，以致它能提供高達500KHZ的重復率。超快激光器的微機械加工要求各種加工參數。RAPID的重復率可以從外部進(jìn)行控制。單脈沖工作，突發(fā)模式或任何外部定義的脈沖序列都可以通過(guò)TTL脈沖來(lái)觸發(fā)。這致使各種加工策略成為可能，并能提供光束路徑的控制。光束束斑質(zhì)量非常好，而且很穩定，在各種重復率的不同環(huán)境下幾乎沒(méi)有任何影響，這些特點(diǎn)是非常顯著(zhù)的。RAPID的激光束幾乎接近衍射極限因此表現出良好的可聚焦性。它的脈沖持續時(shí)間大約為10ps，脈沖能量即使在高的重復率和轉換成532nm，355nm，266nm的條件下也是足夠超過(guò)去除金屬的閾值能量的。脈沖與脈沖的能量變化小于1%rms。
RAPID激光器的技術(shù)設計中，其輸出激光參數、可控性能等指標表明該激光器是金屬表面加工的理想工具，如金屬表面打孔，存儲器的修補，以及在半導體工業(yè)中的打標等。
