激光精細(xì)加工的工業(yè)應(yīng)用探析
時(shí)間:2015-01-21隨著超快激光技術(shù)的發(fā)展,其技術(shù)的突破為精細(xì)加工行業(yè)帶來(lái)了希望。在精細(xì)加工領(lǐng)域,飛秒激光正在取代皮秒激光成為最熱門(mén)的話題。本文結(jié)合激光精細(xì)加工的發(fā)展過(guò)程,主要對(duì)飛秒激光的應(yīng)用進(jìn)行闡述。
1. 引言
從1960年第一臺(tái)紅寶石激光器誕生至今,人們對(duì)激光技術(shù)的探索從未止步。激光因其優(yōu)越的特性越來(lái)越多地為人們所知,更多的應(yīng)用被發(fā)掘出來(lái),尤其是在對(duì)高新技術(shù)比較敏感的工業(yè)領(lǐng)域。就人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的現(xiàn)階段,工業(yè)需求是社會(huì)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。激光應(yīng)用于工業(yè)加工領(lǐng)域已經(jīng)有20多年的歷史,其深度和廣度都已經(jīng)達(dá)到了前所未有的階段。
2. 激光加工工業(yè)
在第一臺(tái)激光器誕生之初,功率較低,系統(tǒng)整體較大,無(wú)法直接應(yīng)用于工業(yè)加工領(lǐng)域。這之后的幾十年里,隨著激光技術(shù)的發(fā)展與新型激光介質(zhì)的出現(xiàn),激光技術(shù)瓶頸不斷突破,激光器無(wú)論從深度還是廣度上都有很大的進(jìn)步。激光在工業(yè)中的應(yīng)用之多,數(shù)不勝數(shù),如激光印刷、刻錄、打標(biāo)、雕刻、焊接、切割、毛化、調(diào)阻、熔敷等等,且潛力巨大。
從上世紀(jì)80年代開(kāi)始,從深度上來(lái)看,激光加工工業(yè)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)階段:
第一階段是納秒(1ns=10-9s)激光器應(yīng)用階段。調(diào)Q技術(shù)獲得的納秒脈沖,其峰值功率遠(yuǎn)高于平均功率,能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)激光器無(wú)法達(dá)到的高瞬時(shí)功率密度,從而瞬間超過(guò)材料破壞閾值,實(shí)現(xiàn)刻蝕效果。
第二階段是本世紀(jì)伊始,半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)使皮秒(1ps=10-12s)激光技術(shù)迅猛發(fā)展,并很快應(yīng)用于工業(yè)中。皮秒激光器一直以來(lái)都是通過(guò)染料進(jìn)行鎖模,但是染料需要循環(huán),且經(jīng)常容易漂白而影響鎖模的穩(wěn)定性。SESAM不但能夠代替染料進(jìn)行鎖模,而且能夠?qū)崿F(xiàn)自啟動(dòng)。在此背景下,迅速涌現(xiàn)出了眾多商業(yè)化的工業(yè)級(jí)皮秒激光器。
相較納秒激光,皮秒激光器以其更短的脈沖寬度、更高的峰值功率,能夠?qū)崿F(xiàn)更精細(xì)的加工效果。一時(shí)間,精細(xì)加工成為熱點(diǎn)話題。
然而,第三階段,真正做到精細(xì)加工是在飛秒(1 fs=10-15 s)激光下實(shí)現(xiàn)的。
我們首先來(lái)看激光與固體之間的相互作用機(jī)理:
(1)激光首先激發(fā)的是固體的電子,在100 fs內(nèi)電子吸收光子的能量而躍遷到高能級(jí);
?。?)由于電子相對(duì)于晶格的溫度更高,因此其處于非平衡態(tài)。為了達(dá)到平衡,電子會(huì)在1ps內(nèi)將能量傳遞給晶格;
?。?)在10ps時(shí)間內(nèi),這些能量將被逐步傳遞到材料內(nèi)部。
因此,對(duì)于10 ps左右的皮秒激光加工,材料有足夠的時(shí)間把熱量傳遞到其內(nèi)部,然后才發(fā)生刻蝕作用,因此熱效應(yīng)實(shí)際上無(wú)法避免。而對(duì)于飛秒激光,脈沖作用時(shí)間已經(jīng)小于1ps,電子沒(méi)有足夠的時(shí)間將能量傳遞給晶格。從而在材料表面生成眾多等離子體,能量伴隨著材料的去除而消散,因此出現(xiàn)強(qiáng)烈的刻蝕效果。也就是說(shuō),當(dāng)激光脈寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于晶格的受熱時(shí)間時(shí),燒蝕時(shí)間不依賴于激光脈寬。圖1為長(zhǎng)脈沖激光與飛秒激光對(duì)比。
從上面三個(gè)階段,我們可以看到,激光加工的發(fā)展與激光器的發(fā)展基本上是同步的,一個(gè)新的技術(shù)突破,就可能迎來(lái)激光工業(yè)應(yīng)用的飛躍,當(dāng)然,也會(huì)帶來(lái)新的疑問(wèn):
第一,皮秒激光器既然無(wú)法完全避免加工時(shí)的熱效應(yīng),那么是否它對(duì)精細(xì)加工就沒(méi)有意義,或者說(shuō)已經(jīng)失去了存在的價(jià)值和必要性?
當(dāng)然不是。皮秒激光雖然無(wú)法實(shí)現(xiàn)精細(xì)的冷加工,但相對(duì)于飛秒激光器,價(jià)格較低,且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,功率較高。因此,對(duì)于這樣一個(gè)超短脈沖技術(shù)的過(guò)渡性產(chǎn)品,如何充分利用就值得我們思考了。目前值得借鑒的方法是,將皮秒激光進(jìn)行三倍頻,利用紫外光與材料的“光蝕”作用,高能量的光子通過(guò)“冷”處理直接破壞材料的化學(xué)鍵,從而減小加工的熱效應(yīng),實(shí)現(xiàn)“冷”加工。目前,該系統(tǒng)對(duì)于透明性材料加工有較大的優(yōu)勢(shì)。此類(lèi)激光器很多,例如Photonics industry公司的15 ps的355 nm激光器。
第二,飛秒激光器能夠?qū)崿F(xiàn)非熱刻蝕,那是不是脈沖寬度越短,加工越精細(xì)呢?實(shí)際上,刻蝕效果與六個(gè)主要因素有關(guān):平均功率、脈寬、波長(zhǎng)、譜寬、單脈沖能量、頻率。
一般來(lái)說(shuō),脈沖寬度越短,就越難獲得高平均功率。因此,從這方面來(lái)說(shuō),短脈沖是以犧牲平均功率為代價(jià)的。
另外,脈沖寬度越窄,譜寬就會(huì)越大。因此,色差也會(huì)影響加工效果。
其次是波長(zhǎng)的影響,對(duì)于一般材料而言,波長(zhǎng)對(duì)刻蝕效果影響不大,只有在對(duì)透明材料(如SiO2)進(jìn)行加工的時(shí)候才考慮,而且應(yīng)該考慮波長(zhǎng)的問(wèn)題。如前面所說(shuō),透明材料對(duì)紫外光有強(qiáng)烈的吸收,而對(duì)于可見(jiàn)和紅外光的透過(guò)率卻很高。因此通常將超快激光的三倍頻光用于加工。對(duì)于幾十飛秒的激光器而言,光譜寬度達(dá)到20 nm,甚至是50 nm,因此三倍頻效率非常低。而皮秒激光器卻能獲得較高的三倍頻率輸出。
頻率則會(huì)影響加工速度。一般來(lái)說(shuō)是越高越好,但是通常只有振蕩器才是80 MHz左右,而振蕩器的單脈沖能量太低,因此需要放大,放大器的頻率一般從1 kHz到幾百千赫茲不等。
因此,對(duì)于超快激光加工,不能盲目追求超短脈沖,必須看實(shí)際的需求。而且脈沖極短而高功率的飛秒激光器,價(jià)格不菲。就目前的精細(xì)加工需求而言,百飛秒級(jí),幾百千赫茲頻率的激光器應(yīng)該是足夠應(yīng)對(duì)通常的精細(xì)加工需求,例如JENOPTIK公司的D2.fs工業(yè)級(jí)激光器(4 W,400 fs,300 kHz,1025 nm,20 μJ @ 200 kHz)。而且該激光器采用光纖激光器振蕩器,能夠做到長(zhǎng)壽命、免維護(hù),這是一個(gè)亮點(diǎn)。從指標(biāo)、價(jià)格、穩(wěn)定性、綜合性價(jià)比來(lái)看,該激光器是非常不錯(cuò)的。
近兩年,飛秒激光技術(shù)得到了迅速提高,我國(guó)經(jīng)濟(jì)也穩(wěn)步發(fā)展,國(guó)外更多的先進(jìn)產(chǎn)品涌進(jìn)來(lái)。例如KMlabs的12 fs振蕩器和峰值功率太瓦級(jí)放大器,menlosystems的飛秒光纖激光器,Lumera和photonics industry的皮秒激光器等就是比較成功的幾款商品化的超快激光器。
3.激光精細(xì)加工
對(duì)于一套激光精細(xì)加工系統(tǒng),除了激光器外,整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)的搭建,軟件控制也是重要的問(wèn)題。任何一個(gè)方面的缺憾,都足以影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。
軟件方面,普通的標(biāo)刻軟件已經(jīng)無(wú)法滿足需求,在納秒脈沖打標(biāo)下無(wú)須考慮的很多問(wèn)題,如何克服首脈沖、拐角漏點(diǎn)等擺在我們面前。
硬件方面,由于目前最好的振鏡的定位精度也只能達(dá)到10μm級(jí)別,很難勝任更精細(xì)的加工,因此,通常選用速度較慢而精度極高的位移平臺(tái)來(lái)組建系統(tǒng),高精度位移平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)納米級(jí)的精確控制。同時(shí),還要考慮光路系統(tǒng)和聚焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題,矯正像差和色差以實(shí)現(xiàn)更小的聚焦光斑。
除此之外,為滿足不同加工需求,還要考慮夾具,工藝等多方面的問(wèn)題。例如,心血管支架的加工因?yàn)槭侵婵涛g,所以對(duì)軟件和夾具有不同于平面加工的要求,而且難度更大,如圖2。
再如調(diào)節(jié)焦距,使得焦斑的中心強(qiáng)度剛好達(dá)到材料的多光子電離閾值,則加工過(guò)程中的能量吸收和作用僅限于焦點(diǎn)中心位置處的很小一部分體積內(nèi),而不是整個(gè)聚焦光斑輻照的區(qū)域。這樣,可以實(shí)現(xiàn)比聚焦光斑小得多的加工尺寸。
4.結(jié)語(yǔ)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)需求的發(fā)展,精細(xì)加工已經(jīng)成為激光加工領(lǐng)域的熱點(diǎn)。目前,中國(guó)的精細(xì)加工還處在萌芽階段,因此,具有兩方面的內(nèi)涵:
第一,萌芽階段意味著不成熟,目前在國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有成熟的商品化飛秒精細(xì)加工系統(tǒng),需要我們更多的探索。為了避免盡量少的走彎路,減少不必要的損失,應(yīng)該更多地注意方法,更全面地考慮問(wèn)題。
精細(xì)加工問(wèn)題,不僅僅是激光器的問(wèn)題,而是系統(tǒng)全面優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)更高精度要求的問(wèn)題,刻蝕效果是我們追求的最終目標(biāo)。國(guó)外已經(jīng)有比較成熟的產(chǎn)品,而國(guó)內(nèi)還沒(méi)有,彼此的差別并不僅僅是激光器,還有工藝問(wèn)題。工藝研究是一門(mén)復(fù)雜的科學(xué),一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),需要一個(gè)團(tuán)隊(duì)的不懈努力,例如軟件參數(shù)的設(shè)置和工藝效果的嘗試等。盡管激光器是關(guān)鍵部件,但只把眼界局限在激光器上,而忽略了整體系統(tǒng)的集成和優(yōu)化是我們的致命傷。
第二,對(duì)起步階段的中國(guó)精細(xì)加工領(lǐng)域來(lái)說(shuō),正因?yàn)闆](méi)有成熟的飛秒精細(xì)加工系統(tǒng),因此市場(chǎng)潛力巨大,誰(shuí)將會(huì)是第一個(gè)吃到螃蟹的人呢?