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激光光束整形的创新应用

微激光钻孔是工业中最常见和最常用的激光加工之一。各种各样的激光光源类型可以处理各种材料(金属、陶瓷、半导体、聚合物和有机材料等),具有前所未有的可重复性、准确性和速度。微钻孔在许多行业中都很突出,例如汽车、航空航天和电子,甚至激光手术和食品行业。例如,该工艺能够将高纵横比钻孔降至微米级,最近已为汽车行业开发了新的喷嘴,将发动机燃油效率提高到30%。1

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超短脉冲激光

 

钻更小的孔、提高钻孔速度、提高孔的精度和质量,以及降低工艺的能耗,导致对提高工业加工的产量和质量的不断需求。这符合新的特定需求,带来新的激光钻孔技术的正常发展。最新的主要创新之一,是使用所谓的超短脉冲激光(USP)微加工工具。

 

超短脉冲激光器通常以高重复频率(有时每秒超过十万个脉冲)提供短而强的光脉冲。这些激光器的突出特点,是它们可以在极短的时间内,大约一皮秒(10-12秒)到几十飞秒(10-15秒),集中脉冲的发光强度。每个脉冲都带有一定量的能量,但其短促性使其能够获得相当高的峰值功率(高达几十瓦)。对于USP激光,脉冲是如此短而且有能量,以致它们几乎瞬间去除被照射的材料。这些激光器的超短脉冲不会像更常规的激光那样,通过能量被吸收为热量来移除材料,而是在没有热效应的情况下导致物质的电离。这种效应被称为冷烧蚀,允许最小的内部应力、裂缝、毛刺和其他通常由吸热引起的缺陷。2USP激光可以每秒快速钻高达数千个孔,7直径小于任何其他工艺(几微米;见图1)。此外,由于该工艺对加工材料的后处理很少或几乎不需要,因此高速激光器可以以较低的成本提供高生产率,4并且越来越紧凑和经济的商用USP激光的可用性,证明了它们用于越来越多的工业应用。

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图1:由飞秒激光脉冲钻出的燃料喷射头孔。

 

激光光束整形

 

然而,为了真正最大化该加工的有效性、质量、分辨率和效率,有必要应用适合于给定应用的激光光束整形技术。激光光束自然具有不均匀的横向能量分布(见图2),这可能导致不必要的能量损失、不准确性和钻孔不规则性。材料的类型、孔的参数、钻孔的质量和生产率都是需要考虑的因素,并且需要优化激光脉冲的强度在加工材料中的分布方式。

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图2:激光光束强度的不均匀分布。Gaussian intensity profile:高斯强度分布Intensity:强度Transverse position:横向位置Spot diameter:光斑直径Processing threshold:加工阈值Wasted energy:损失的能量

 

根据具体应用的需要,可能需要均匀地集中激光能量,将光束整形成一定的轮廓,或甚至生成若干光束以同时处理多个区域4,5并增加工艺的生产率。例如,一种常用的光束形状是平顶轮廓(见图3a),这使得可以获得均匀强度的激光光斑,从而以更好的分辨率和规则的深度穿透。6

 

另一种常用的形状是贝塞尔光束,它使传播的能量在长距离上强烈聚集在小而细长的区域中(见图3b)。因此,对于具有高纵横比(深度与直径比远大于10:1的孔)的小直径孔(有时直径小于微米)的钻孔特别有用。该形状特别用于加工透明材料,8例如玻璃或蓝宝石。对于更具体的应用,可能需要产生更特定几何形状的光束,例如使用无掩模光刻来加工光子晶体或电子微元件。

 

因此,需要优化该工艺以将激光光束整形单元集成到激光微钻孔系统中。存在几种类型的光束整形技术,例如折射光学元件(ROE)、衍射光学元件(DOE)和空间光调制器(SLM)。这些技术通常以规模化生产使用,但取决于应用,它们往往在可获得的形状类型方面受到限制,受到浅景深(钻孔的有用深度)的影响,并且可能具有降低的效率和高价格。

 

最近,多平面光转换(MPLC)技术在光束整形方面提供了大量的自由度,同时具有高转换效率(> 95%)。MPLC技术自2013年开始由法国CAILabs公司开发,在整形参数、景深和能效方面取得了创纪录的成果。它可以为激光行业生成标准形状,例如平顶和贝塞尔光束(见图3),以及针对更具体应用的定制形状,无论使用何种波长。此外,它还提供了新功能,例如多个光束的合束整形,可以生成复杂的形状。

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图3:平顶光束轮廓(a)和贝塞尔光束的实验强度分布(b)。Intensity:强度Transverse position:横向位置Spot diameter:光斑直径Processing threshold:加工阈值Wasted energy:损失的能量Propagation distance:传播距离

 

展望

 

USP激光光源的不断发展,特别是在功率、效率和成本方面,使得USP激光微钻孔成为可以被越来越多的应用所使用的工艺。该技术长期用于小批量生产的原型设计和微加工应用,现在以越来越高的生产率,用作越来越多的大规模应用的顶级方法,例如制造动脉支架、OLED面板和注射头。9为了确保足够的生产率和最佳的加工质量,激光光束整型可以最大限度地提高加工效率。这就是为什么有必要采用光束整形技术,伴随着工艺的发展,能够应对新的微激光钻孔应用的挑战。

 

参考文献

 

1. M. Mielke, Laser Focus World, 49, 11 (Nov. 2013); http://bit.ly/2RJY0egrusbbabutbbubcewdeabvttr

2. K. Sugioka and Y. Chang, Light Sci. Appl., 3, e149 (2014); https://go.nature.com/2UN2ouN

3. K. Sugioka, Nanophotonics, 6, 2, 393–413 (2017); http://bit.ly/2MTc1p6

4. S. Sullivan, Industrial Laser Solutions, 31, 3 (May/Jun. 2016); http://bit.ly/2Gvpr9w

5. E. Mottay, Industrial Laser Solutions, 32, 4 (Jul/Aug. 2017); http://bit.ly/2TIrRFP

6. K. Fuse, Laser Tech. J., 12, 2, 19–22 (Apr. 1, 2015); http://bit.ly/2MYpLz2

7. M. K. Bhuyan et al., Appl. Phys. Lett., 97, 081102 (2010); https://doi.org/10.1063/1.3479419

8. F. Courvoisier, J. Zhang, M. Bhuyan, M. Jacquot, and J. M. Dudley, Appl. Phys. A, 112, 29–34 (2013); http://bit.ly/2Gs6wwq

9. B. Peatman, Industrial Laser Solutions online (May 3, 2017); http://bit.ly/2RMhgaQ

 

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