激光光束整形的創新應用

來源:激光世界    關鍵詞:   發布時間:2019-09-12

設置字體:

微激光鉆孔

微激光鉆孔是工業中最常見和最常用的激光加工之一。各種各樣的激光光源類型可以處理各種材料(金屬、陶瓷、半導體、聚合物和有機材料等),具有前所未有的可重復性、準確性和速度。微鉆孔在許多行業中都很突出,例如汽車、航空航天和電子,甚至激光手術和食品行業。例如,該工藝能夠將高縱橫比鉆孔降至微米級,最近已為汽車行業開發了新的噴嘴,將發動機燃油效率提高到30%。


超短脈沖激光

鉆更小的孔、提高鉆孔速度、提高孔的精度和質量,以及降低工藝的能耗,導致對提高工業加工的產量和質量的不斷需求。這符合新的特定需求,帶來新的激光鉆孔技術的正常發展。最新的主要創新之一,是使用所謂的超短脈沖激光(USP)微加工工具。

超短脈沖激光器通常以高重復頻率(有時每秒超過十萬個脈沖)提供短而強的光脈沖。這些激光器的突出特點,是它們可以在極短的時間內,大約一皮秒(10-12秒)到幾十飛秒(10-15秒),集中脈沖的發光強度。每個脈沖都帶有一定量的能量,但其短促性使其能夠獲得相當高的峰值功率(高達幾十瓦)。

對于USP激光,脈沖是如此短而且有能量,以致它們幾乎瞬間去除被照射的材料。這些激光器的超短脈沖不會像更常規的激光那樣,通過能量被吸收為熱量來移除材料,而是在沒有熱效應的情況下導致物質的電離。這種效應被稱為冷燒蝕,允許最小的內部應力、裂縫、毛刺和其他通常由吸熱引起的缺陷。2USP激光可以每秒快速鉆高達數千個孔,7直徑小于任何其他工藝(幾微米;見圖1)。此外,由于該工藝對加工材料的后處理很少或幾乎不需要,因此高速激光器可以以較低的成本提供高生產率,4并且越來越緊湊和經濟的商用USP激光的可用性,證明了它們用于越來越多的工業應用。


激光光束整形的創新應用

圖1:由飛秒激光脈沖鉆出的燃料噴射頭孔


激光光束整形

然而,為了真正最大化該加工的有效性、質量、分辨率和效率,有必要應用適合于給定應用的激光光束整形技術。激光光束自然具有不均勻的橫向能量分布(見圖2),這可能導致不必要的能量損失、不準確性和鉆孔不規則性。材料的類型、孔的參數、鉆孔的質量和生產率都是需要考慮的因素,并且需要優化激光脈沖的強度在加工材料中的分布方式。


激光光束整形的創新應用


圖2:激光光束強度的不均勻分布


Gaussian intensity profile:高斯強度分布

Intensity:強度

Transverse position:橫向位置

Spot diameter:光斑直徑

Processing threshold:加工閾值

Wasted energy:損失的能量

根據具體應用的需要,可能需要均勻地集中激光能量,將光束整形成一定的輪廓,或甚至生成若干光束以同時處理多個區域4,5并增加工藝的生產率。例如,一種常用的光束形狀是平頂輪廓(見圖3a),這使得可以獲得均勻強度的激光光斑,從而以更好的分辨率和規則的深度穿透。

另一種常用的形狀是貝塞爾光束,它使傳播的能量在長距離上強烈聚集在小而細長的區域中(見圖3b)。因此,對于具有高縱橫比(深度與直徑比遠大于10:1的孔)的小直徑孔(有時直徑小于微米)的鉆孔特別有用。該形狀特別用于加工透明材料,8例如玻璃或藍寶石。對于更具體的應用,可能需要產生更特定幾何形狀的光束,例如使用無掩模光刻來加工光子晶體或電子微元件。

因此,需要優化該工藝以將激光光束整形單元集成到激光微鉆孔系統中。存在幾種類型的光束整形技術,例如折射光學元件(ROE)、衍射光學元件(DOE)和空間光調制器(SLM)。這些技術通常以規模化生產使用,但取決于應用,它們往往在可獲得的形狀類型方面受到限制,受到淺景深(鉆孔的有用深度)的影響,并且可能具有降低的效率和高價格。

最近,多平面光轉換(MPLC)技術在光束整形方面提供了大量的自由度,同時具有高轉換效率(> 95%)。MPLC技術自2013年開始由法國CAILabs公司開發,在整形參數、景深和能效方面取得了創紀錄的成果。它可以為激光行業生成標準形狀,例如平頂和貝塞爾光束(見圖3),以及針對更具體應用的定制形狀,無論使用何種波長。此外,它還提供了新功能,例如多個光束的合束整形,可以生成復雜的形狀。


激光光束整形的創新應用

圖3:平頂光束輪廓(a)和貝塞爾光束的實驗強度分布(b)


Intensity:強度

Transverse position:橫向位置

Spot diameter:光斑直徑

Processing threshold:加工閾值

Wasted energy:損失的能量

Propagation distance:傳播距離


展望

USP激光光源的不斷發展,特別是在功率、效率和成本方面,使得USP激光微鉆孔成為可以被越來越多的應用所使用的工藝。該技術長期用于小批量生產的原型設計和微加工應用,現在以越來越高的生產率,用作越來越多的大規模應用的頂級方法,例如制造動脈支架、OLED面板和注射頭。9為了確保足夠的生產率和最佳的加工質量,激光光束整型可以最大限度地提高加工效率。這就是為什么有必要采用光束整形技術,伴隨著工藝的發展,能夠應對新的微激光鉆孔應用的挑戰。


今天晚上5选5开奖号码