高精密激光产业加工的应用

　　对比普通激光加工，超短脉冲和短波长对各种材料的上风作用日趋显现。超短脉冲和短波长的研发以及在激光加工中的试应用，为高品质的精细加工带来了希望。本文主要对激光在精细加工方面的应用进行阐述。
　　高品质的激光加工，特别是高精密激光切割机、钻孔和表面处理现已成功应用于金属、陶瓷、玻璃、半导体及很多高分子材料中。同时，激光加工在超短脉冲光谱学、微机械加工、非线性光学、THz-频谱研究、材料学等科研领域的应用也日渐广泛，目前，高精度激光加工向超短脉冲和紫外激光发展的趋势已经愈加明显。
　　 超快激光产业加工
　　ThePhotonicsWest2005曾经报道了皮秒激光器在大规模生产中的首次应用。将功率为1μJ、脉宽为20ps的连续脉冲聚焦到薄钢箔上，在脉冲光束方向上往除一系列同心环。直径不同的同心环形成一个圆盘，往除材料的不同圆盘形成一个锥形孔，这个孔在专业的高质量打印头中被作为注进墨水的喷嘴。
　　传统纳秒激光器的激光处理热效应比较明显，特别是很多具有良好导热率的材料，如金属会出现严重的损伤区域，这些损伤区域是由热引起的融化、再凝固和裂缝所致。随着超短脉冲激光器的研究和发展，激光冷加工的处理手段也日趋成熟，超短脉冲激光器在冷加工方面的上风也逐渐被大家认可。这种上风就是超短脉冲激光器能够使热量沉积到材料里的过程比热量扩散到四周区域的过程发生得更快，这样就会尽可能地避免熔化状况，同时通过使材料升华和等离子化来达到往除材料的目的。超短激光脉冲的高功率密度也可以对有非线性吸收现象的透明材料进行处理。
　　飞秒激光器的发展相当迅速。在过往的几年中，尽大多数超快激光器制造商的留意力都集中在飞秒激光器的研发土。但是，飞秒激光器的重复频率不高，一般都只有几千赫兹，这对于追求更高工作效率的现代产业加工来说十分不利。而与飞秒激光器相比，重复频率达到几百千赫兹的皮秒激光器却可以保证高生产率。因此，飞秒激光器目前主要应用于科研领域，而皮秒激光器则可应用于产业加工领域。
　　由于在材料往除过程中会形成高脉冲能量的强等离子体，因此产业加工对超快激光提出了更高的要求，即如何设置激光器的参数才能获得更理想的材料往除效果。大量实验表明，在公道的往除速率下，最高精度可以通过将功率密度设置为6-10倍的阀值超短激光脉冲下实现。对金属而言，这意味着10ps脉冲的能量密度为1J/cm2。假如微机械加工的激光束被聚焦成典型直径为10μm的光斑，那么最佳的脉冲能量应该为1μJ。在这种情况下，每个激光脉冲熔化的材料厚度的典型值为10~100nm,可以加工出精度为0.1μm的微结构。图2给出了不同材料对脉冲功率和重复频率的往除率。

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