如今，激光工藝已廣泛應(yīng)用于制造業(yè)，比如金屬的切割與焊接，其中一個(gè)重要領(lǐng)域就是激光微制造或是激光微加工。這里的“微”指的是基板厚度不足1毫米，尺寸測(cè)量精確至微米。與傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用，比如機(jī)撲焊接或是鈑金切割相比，進(jìn)行微加工時(shí)所需用到的設(shè)備及工藝則更強(qiáng)調(diào)精確度以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪M(jìn)程控制。由于這些應(yīng)用往往對(duì)熱能很敏感，對(duì)精確度有極高的要求，所以，所選激光器的類型、規(guī)格、光學(xué)系統(tǒng)及硬件配置對(duì)于穩(wěn)定的規(guī)模生產(chǎn)而言至關(guān)重要。

　　激光器的選擇取決于諸多因素，其中包括材料屬性、加工形狀、進(jìn)程容差、所需產(chǎn)能等等。新型光纖激光器需要在降低成本的同時(shí)，提供改良的、更加靈活的激光源。

　　棒式固態(tài)激光器有一個(gè)致命缺陷，即熱透鏡效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致平均功率受限。IPG推出的準(zhǔn)連續(xù)摻鐿光纖激光器（QCW），具有高亮度/光束質(zhì)量、高脈沖能量、高峰值功率及高平均功率，已成為替代照射棒或二極管泵浦固態(tài)激光器的理想選擇。這種風(fēng)冷、緊湊型激光器，電光轉(zhuǎn)換效率超過30%，全程免維護(hù)，輸出波長(zhǎng)1070nm，毫秒級(jí)“長(zhǎng)脈沖”。另有“連續(xù)模式”可選。

　　如果需要更短的脈沖（納秒級(jí)或是更短），用戶也有一系列覆蓋多波長(zhǎng)、多脈沖能量、多平均功率/峰值功率的光纖激光器可供選擇。除了已有的1064nm 近紅外Q開關(guān)光纖激光器之外，還有新一代綠光（輸出波長(zhǎng)為532nm）光纖激光器。IPG推出的脈沖型綠光光纖激光器的主要特點(diǎn)為峰值功率高，平均輸出功率可達(dá)50W，脈沖周期恒定為1ns， 頻率10到300kHz。光纖的脈沖能量和/ 或重復(fù)頻率可根據(jù)需要調(diào)整，不影響輸出光束的參數(shù)，M2 < 1.2，與傳統(tǒng)的激光器相比更高效、更緊湊，成本也更低。

　　雖然IPG光子有從紫外線到中紅外等一系列激光器， 但是本文將重在討論準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器及脈沖型綠光光纖激光器。接下來我們將通過實(shí)例研究這兩種激光器的工藝特點(diǎn)，探討其在規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用。

　　關(guān)于準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器，我們主要觀察了其在氧化鋁、氮化鋁、藍(lán)寶石等陶瓷土中的應(yīng)用結(jié)果。氧化鋁（多晶Al203）和氮化鋁（AlN）被公認(rèn)為是超級(jí)導(dǎo)熱材料，廣泛用于各行各業(yè)， 如LED、RF、微波封裝等。在這些行業(yè)中，鉆孔速度與成型速度將直接影響生產(chǎn)成本。另一方面，單晶Al2O3， 也就是我們通常所說的藍(lán)寶石，硬度特別高，僅次于鉆石。與傳統(tǒng)的光學(xué)玻璃相比，藍(lán)寶石不僅更堅(jiān)固，更耐劃，而且光傳輸從紫外線到近紅外， 導(dǎo)熱性能也極佳。藍(lán)寶石作為一種能夠通過MOCVD擴(kuò)大光發(fā)射外延層的材料，已大量應(yīng)用于LED行業(yè)。在過去幾年里，藍(lán)寶石的應(yīng)用隨著LED行業(yè)的發(fā)展出現(xiàn)了井噴式的增長(zhǎng)，如背景照明，近年來更逐步推進(jìn)至一般照明。另一個(gè)增長(zhǎng)點(diǎn)是家用電子產(chǎn)品， 藍(lán)寶石可以用于制造手機(jī)攝像頭、功能鍵甚至是整個(gè)顯示屏。

　　綠光光纖激光器適用于那些不易通過近紅外波段加工的材料，如聚合物（PEEK、硅膠、環(huán)氧樹脂、FR4），因此堪稱準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器的“最佳搭檔”。綠光光纖激光器脈沖周期更短， 因而可以對(duì)金屬或陶瓷土進(jìn)行精細(xì)加工。我們隨我們將一一展示其在不同材料中的應(yīng)用結(jié)果。

　　準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器

　　實(shí)驗(yàn)所用激光器為YLM-150-1500- QCW光纖激光器，單模光纖（芯徑14微米），最大峰值功率1.5千瓦，平均輸出功率150瓦（連續(xù)模式時(shí)最高可達(dá)250瓦）； 以及YLR-300-3000-QCW光纖激光器， 多模光纖（芯徑50微米），最大峰值功率3千瓦，平均輸出功率300瓦。兩者輸出波長(zhǎng)均為1070nm。脈沖周期在10微秒至50毫秒范圍內(nèi)可調(diào)，實(shí)際范圍取決于操作模式及參數(shù)設(shè)置。

　　熱加工時(shí)脈沖周期相對(duì)較長(zhǎng)，基板的局部溫度超過熔點(diǎn)，輔助氣體（如空氣、氮?dú)?、氧氣或氬氣）以物理形式清理基板上的熔融物。其操作原理為光? 光纖通過帶有一定焦距的準(zhǔn)直鏡（一般焦距范圍為50~150毫米），經(jīng)聚焦后至切割頭。聚焦鏡的焦距根據(jù)所需應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整，一般為50 ~200毫米。輔助氣體經(jīng)過切割頭，經(jīng)由一個(gè)與光束同軸的噴嘴排出。噴嘴的直徑以及噴嘴到目標(biāo)之間的距離取決于所需應(yīng)用，但直徑和距離通常均為0.5~1毫米。用戶可以通過設(shè)定脈沖周期、重復(fù)頻率、峰值功率、平均功率（占空比）、切割速度、氣體類型及壓力等操作參數(shù)，控制熱響應(yīng)區(qū)。

　　準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器有多種峰值功率、平均功率、脈沖周期、單?；蚨嗄？晒┻x擇，聚焦光束的尺寸也能根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。單模光纖的光束質(zhì)量可以精細(xì)至M2<1.05。由于光束幾乎可以達(dá)到衍射極限聚焦，這就使得光斑直徑能夠低至不足20微米，形成超乎想象的功率密度（107W/cm2）！通常這樣的功率密度對(duì)于大多數(shù)材料來說已經(jīng)足夠產(chǎn)生耦合效應(yīng)及局部燒蝕，即使某些材料對(duì)近紅外波段的線性吸收不強(qiáng)，如藍(lán)寶石和氧化鋁。雖然氧化鋁的光透射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于藍(lán)寶石，但是由于其中的晶界、氣孔及雜質(zhì)會(huì)對(duì)入射光形成吸收、反射和散射，所以，大體積氧化鋁對(duì)近紅外的吸收仍不甚理想。

    準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器的應(yīng)用—— 鉆孔

　　用光纖激光器鉆孔時(shí)，一個(gè)脈沖一個(gè)孔，所以準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器在鉆孔速度上極具優(yōu)勢(shì)。我們選取了厚度為635 微米的氧化鋁（96%），以300孔/秒的速度打孔，孔間距為150微米，基板在光束下方以45毫米/秒的速度線性移動(dòng)，單模光纖，脈沖周期200微秒。當(dāng)然，脈沖周期越短，鉆孔速度就越快，直至達(dá)到最大化。這也就是說，操作過程中存在一個(gè)平衡鉆孔質(zhì)量、脈沖能量及脈沖周期的最佳峰值功率。一般來說，基板越厚，脈沖能量就越高，和/或脈沖周期也就越長(zhǎng)。圖1所示為鉆孔的入口端及出口端。鉆孔出口端以顯微鏡手動(dòng)測(cè)量為22±3um，入口端為49±3um。基板在操作前已經(jīng)過覆壓，打孔后進(jìn)行清潔/ 拋光。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，除了能夠很好地?zé)g之外，我們還要能夠調(diào)整孔的大小。通常情況下，高功率密度能產(chǎn)生穩(wěn)定的燒蝕，然后在氧化鋁上形成孔。然而，對(duì)于氧化鋁這樣不易燒蝕的材料而言，僅僅依賴高功率密度就是不夠的， 尤其是所需焦斑小于常規(guī)尺寸時(shí)。另一方面，用大幅提高峰值功率的方法來改善燒蝕，其結(jié)果往往會(huì)同時(shí)影響成孔質(zhì)量，所以人們常常用覆壓涂層的方法來輔助氧化鋁表面的燒蝕。IPG微系統(tǒng)推出了一種新的解決方案，通過改進(jìn)激光工藝的方式加強(qiáng)燒蝕，無需覆壓。當(dāng)然，在某些時(shí)候可能還是需要用涂層來改善整體質(zhì)量，減少渣屑。

　　圖2表示在厚度為381微米的氧化鋁（99.6%）上以750孔/秒的速度鉆孔后孔的形態(tài)。經(jīng)測(cè)量，鉆孔入口端孔徑約37 微米，出口端約16微米。該實(shí)驗(yàn)使用的是單模光纖。

　　圖3表示在厚度為381微米的氮化鋁上，以300孔/秒的速度鉆孔。測(cè)量顯示入口端直徑約為42微米，出口端約為31微米。與相同厚度的氧化鋁相比，氮化鋁需要的峰值功率更高，脈沖周期更長(zhǎng)。

　　圖4表示在厚度為100微米的氧化鋁（99.6%）上，以3000孔/秒的速度操作后觀察孔的形態(tài)。測(cè)量結(jié)果顯示，鉆孔入口端直徑約為33微米，出口端直徑約為22微米。

　　用戶可通過改變傳輸光纖的芯徑（比如改變激光器及其光纖，或是通過光柵/耦合連接更大的傳輸光纖）、傳輸（改變準(zhǔn)直鏡和/或物鏡焦距）、或是參數(shù)（通常為脈沖周期和/或脈沖能量，如峰值功率），調(diào)整孔的大小。

　　圖5a表示用多模傳輸光纖在厚度為320微米的氧化鋁上進(jìn)行“大孔徑”鉆孔。鉆孔速度為100孔/秒，出口端直徑為320微米。圖5b表示在厚度為320微米的氮化鋁上沿掃描方向鉆孔，孔間距325微米，鉆孔速度同樣為100孔/秒。2000余個(gè)鉆孔的測(cè)量結(jié)果顯示，入口端約105微米，出口端約65±9微米。

　　上述實(shí)驗(yàn)證明，在150毫米X150毫米面積內(nèi)，鉆孔定位的精確性達(dá)到±5 微米，如將正?？讖匠叽缭O(shè)為100%，則孔徑偏差可控制在±15%范圍內(nèi)。在某些應(yīng)用中，偏差率還有望進(jìn)一步降低。

    準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器能夠以熱切割形式，對(duì)數(shù)毫米厚的基板進(jìn)行高質(zhì)量切割、劃線及鉆孔。光束投射在基板上的光斑小（直徑<20微米），功率密度高，可加工那些無法使用近紅外波段的材料。如果需要“大”光斑，借助一些技術(shù)也完全能夠做到。在鉆孔實(shí)驗(yàn)中， 厚度分別為635微米、381微米、100微米的氧化鋁，鉆孔速度達(dá)300孔/秒、750 孔/秒、3000孔/秒；在劃線實(shí)驗(yàn)中，厚度分別為635微米、381微米的氧化鋁，劃線速度達(dá)200毫米/秒、300毫米/秒。在切割實(shí)驗(yàn)中，厚度分別為635微米、381微米的氧化鋁，切割速度達(dá)140毫米/秒、250毫米/秒，且無任何渣滓和碎屑。氮化鋁的實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似，只是一般生產(chǎn)率略低。在厚度分別為0.4毫米、1毫米、3 毫米的藍(lán)寶石切割實(shí)驗(yàn)中，切割速度達(dá)12毫米/秒、9毫米/秒、3毫米/秒。當(dāng)然， 實(shí)際切割速度還取決于切割形狀及質(zhì)量要求。

　　與準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器不同的是，綠光光纖激光器可進(jìn)行燒蝕、微加工，能夠在那些如聚合物、陶瓷土及金屬等對(duì)熱能敏感的基板上進(jìn)行切割和鉆孔。脈沖周期短，有助于減少熱穿透；平均功率高、重復(fù)率高，有助于提高生產(chǎn)率。

　　上述兩種光纖激光器可彼此互為補(bǔ)充，擴(kuò)大激光加工的范圍。為此，IPG 微系統(tǒng)部門為規(guī)模生產(chǎn)特別推出了一種新型激光工作站，可同時(shí)集成這兩種激光器。