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纳秒脉冲光纤激光器不止于标刻-【新闻】阜阳

发布时间:2021-04-20 12:45:19 阅读: 来源:钢筋调直机厂家

纳秒脉冲光纤激光器:不止于标刻

这十年来,光纤激光技术已迅速成为2微米波长的材料加工应用中的主要候选技术,尤其在标刻应用中,光纤激光器已占据激光源的三分之一。光纤激光源为用户提供简洁的低成本解决方案,无需维护,降低产权方案的成本。对于非技术用户来说,这也是一种“安装之后就不必管它”的选择。

对于许多激光来说,由于在使用气体或棒状激光器时,光学器件、热透镜或其它对准效应的下降,维持光束质量通常很困难的。事实上,可以采用对特殊模式进行光学设计来满足特别的材料加工应用。

最新一代的纳米脉冲光纤激光器简洁紧凑,调整光束质量后的光源非常灵活,有若干可配置的脉冲选项。这将改进大多数应用的工艺。近来,峰值功率和脉冲能量的提高使得传统标刻加工迈上了新的台阶,也使激光器成为功能强大的精密加工工具。

许多光纤激光器基于调Q类型的设计,并且模仿了其他固态激光器的能力。这种光源仍主要应用于当前的标刻应用中,它受限于脉冲参数的能力,不能突破重复率小于222千赫的限制。基于主振动率放大器设计的光纤激光器使用直接调制的种子激光器和放大器通路,能灵活控制如脉冲长度和频率等脉冲参数。

例如,SPI最新的MOPA设计能够达到很高的峰值功率,这是无法在标准调制时达到的,在平均输出功率为42瓦时,一些模式的峰值脉冲功率能超过22千瓦,在32千赫时脉冲能量能大于2.25mJ。另外,这些模式的脉冲频率范围高达2到522千赫,脉冲持续时间范围为22到222纳秒,并且能在连续波模式下工作。

材料加工中,影响质量和生产能力的一些关键参数包括:峰值脉冲功率、脉冲能量、脉冲频率、平均功率、脉冲持续时间和光束质量。大多数脉冲激光材料加工应用需要综合考虑上述参数。

脉冲加工在本质上严重依赖于重叠激光光斑才能取得理想的结果。尽管高一些的重叠也可以让标记的外观几近平滑,但通常对于许多激光加工来说,普遍接受的是大于32%的光斑重叠。高重复率意味着可以达到更高的加工速度。在522千赫时,当扫描速度高达8米/秒时就能够取得32%光斑重叠的效果。

在加工敏感材料时,需要仔细控制热输入,通常最好采用较短的脉冲和较高的重复率。在加工塑料和聚合材料时,则最好维持峰值功率并且限制每单位长度的总热输入。其他应用加工,如除漆、彩色标记、集成电路打标以及薄膜图案生成,则最好要满足大于222千赫的条件。

光束质量对许多应用来说有着决定性影响,低M2并不是在所有场合中适用,因而在考虑是否适合某用途时必须考虑光束质量。低M2光束能在加工域上产生更小更深的斑点,但是更高的峰值功率将导致过度的中心点强度,从而导致问题发生,例如在薄膜制图或清除应用中引发基底损坏。当区域较大时,由于行距较小,就需要较小斑点加工更多次。在这些应用中,高M2光束在更宽的功率分布时,更适用于区域加工。

在SPI公司,我们已经开发了一系列脉冲激光器,可以广泛用于标称需要不同光束质量的应用。激光器光束质量的影响极为显著,主要与产生的聚焦斑点尺寸相关。对比研究则显示出斑点尺寸对于标刻和钻孔加工应用的影响。当激光脉冲数量相同时,单模脉冲激光器可以产生窄深的高深宽比的孔,而更高模式的激光器则产生渐宽渐浅的孔。这一结果或许在多数情况下有效,不过要指出的是,最终特征不必严格与估算的斑点尺寸一致,这应该视应用的要求而定。

在深度雕刻和加工反射材料时,脉冲能量和峰值功率是最主要的特性。当峰值功率大于22千瓦、脉冲能量大于2.25mJ时,光纤激光器能同灯泵浦Nd:YAG激光雕刻机相媲美。但是,最好的雕刻质量通常并不是在峰值功率或脉冲能量参数最高时取得。有些公司专注于像铸模工具这样的复杂三维雕刻应用,他们开发了将光纤激光器同填充技术和脉冲参数相结合的专有方法,使得每一脉冲仅仅除去几微米。

其他材料包括像玻璃碳这样的特殊材料也适于微加工。玻璃碳的高熔点和独特硬度性质使得传统机器加工变得很难,而激光器能解决这一问题。剑桥大学学者的研究展示了使用22瓦2.8mJ脉冲激光器对血浆分离器铸模工具进行加工所能达到的精度。

最初,由于背面反射带来的风险,光纤激光器在加工反射和传导材料时需要很小心。不过,光学隔离技术的发展让用户在这类应用中能够使用光纤激光器。在珠宝行业中的雕刻中,高脉冲能量在低重复率下除去疏松物质,紧接着,高峰值功率的高重复率、短低能量脉冲来做最后一遍的平滑处理工作。更高的峰值功率和脉冲能量使铜雕刻成为可能。

这些用途广泛的激光器也将应用扩展到传统打标和雕刻之外。如今,这些激光器已用于切割、焊接甚至熔接等应用。更高的峰值功率和脉冲能量能够切割包括薄片金属在内的广泛材料。使用远程扫描器技术,还能够切割包括金、铜、银及黄铜在内的厚度高达几百微米的大多数金属。更厚一些的材料需要使用多遍技术来切割,速度会慢一些,对于某些应用来说,仍然比传统激光切割工艺更好。

焊接通常被当作一项直接半导体或者连续波光纤激光工艺。然而,对于热敏感应用来说,传统激光技术并不能完全控制热输入。高重复率脉冲光纤激光器结合快速扫描技术,可以将回流焊接的部件总热输入控制得很低。

随着用户在新MOPA设计中越来越注重灵活性和多功能性,纳秒级光纤激光器的用途正越来越广。模式质量的可调整性以及脉冲特性的可变性有助于应用领域的拓展。

如今,纳秒级光纤激光器已很成熟,应用范围已从标刻加工延伸至更有用武之地的微加工。因此,不管是何种微加工应用,都可以考虑使用脉冲光纤激光器。

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