超快激光微加工的Burst Mode和PSO功能

來源:諾派激光    關鍵詞:超快激光, 激光微加工,    發布時間:2019-05-23

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本期我們將從理論概念擴展到實際加工應用,介紹超快激光微加工中兩個重要的功能 - Burst ModePSO,它們間接影響著超快激光的加工質量和產能。

單詞解釋:

1Burst Mode:在激光行業里,通常簡稱“脈沖串”模式

2PSO:position synchronized output, 位置同步輸出


超快激光的基本原理

小編首先和大家簡單回顧一下超快激光器的基本原理結構,以便更好地理解Burst ModePSO的功能作用。根據超快激光放大技術原理不同,目前市場上的超快激光器主要包括碟片式、光纖式、固體式以及光纖-固體混合式(種子源采用光纖激光器,放大器部分采用固體放大)四種類型。大多數超快激光器的基本結構都是類似的,主要由種子源、脈沖選擇器、放大器和 AOM 四大部分組成。飛秒超快激光器的結構上會稍微復雜一些,在種子源和脈沖選擇器之間增加一個展寬器,并在放大器之后增加一個壓縮器。

如圖1所示,超快激光器的種子源通常采用20-80MHz的高重復頻率皮秒光源,先經過脈沖選擇器來降低種子源輸出頻率,在功率放大之前會綜合考慮脈沖放大的目標能量、系統設計的最大泵浦功率以及散熱管理等因素,通常將重頻頻率降低在5MHz以下,篩選后的種子源經過放大器后功率/能量得到放大提升,最后再經過AOM,可以進一步控制激光的輸出功率及重復頻率,并且借助外部促發信號可以實現單觸發輸出。

1. 超快激光器的基本原理結構示意圖


超快激光的Burst Mode功能

Burst Mode的產生是通過受控光開關選擇與種子源重復頻率相同的多個高頻子脈沖,組成一個脈沖串輸出。圖2列舉了脈沖串包絡中的子脈沖數量為25時的輸出形式,其特點是多個間隔數十納秒的子脈沖組成一簇,并且脈沖串包絡中相鄰脈沖的時間間隔由種子源的重復頻率所決定,比如種子源的重復頻率為20MHz,則脈沖串內部的脈沖間隔為1/20 MHz = 50 ns。這種脈沖的重新排列組合可通過脈沖選擇器來實現完成。另外,在某些產品設計中,還會增加對脈沖串包絡中各個子脈沖的能量強度的調節功能。

Burst Mode的獨特優勢是不僅可以調諧脈沖串包絡中的子脈沖數量以及脈沖串的時間間隔,而且同時能夠保持超快激光的最大輸出功率。比如,在5MHz50W的超快激光器系統中,由于材料加工工藝的要求,需要在較低的重復頻率(500kHz)下工作,否則會由于重復頻率過高引起熱積累效應(可參考諾派《激光小學堂》第二期),在這種情況下,直接降頻將導致超快激光的加工效率大大降低。利用Burst mode功能,可以在重復頻率降為500kHz的同時,把脈沖串的子脈沖數量設定為10,其總的輸出功率仍是50W,這樣既能保證超快激光微加工的質量,同時又能提高加工產能。

2. 超快激光器不同脈沖串包絡中子脈沖數量示意圖(n = 2 ~ 5


超快激光的PSO功能

目前很多的超快激光微加工應用都包含了圓角、曲線等運動軌跡,比如說全面屏切割,對于此類軌跡,通常直線部分的切割速度更快,在圓角部分會緩慢移動。如果以固定頻率發射激光脈沖,工藝將因軌跡上的不同速度而高度變化,并且在更低運動速度段因更高脈沖重疊而發生不必要的“老化”(如圖3a)。為保證這種快速變速軌跡的加工質量,工業超快激光系統需要將加工平臺的運動與觸發激光或數據采集設備的輸出協調起來,從而實現高速、高質量的運動控制。

PSO的主要功能:通過采集實時的編碼器反饋進行位置比較,與激光器同步輸出信號進行相位同步,在運動軌跡的所有階段以恒定的空間(而非時間)間隔觸發發射激光,包括加速、減速和勻速段,從而實現脈沖能量均勻地作用在被加工物體上。3列舉對比了不含PSO功能及含PSO功能的兩種圓角矩形的加工效果示意圖,可以很明顯觀察到,利用PSO功能,在整個運動軌跡中激光發射的光斑均勻分布,即使在拐角曲線處也避免了因過度加工而導致的老化現象,從而保證了整體加工質量的一致性。

3. 超快脈沖激光移動運動過程中與物質相互作用示意圖:(a)不含PSO功能;(b)含PSO功能


在超快激光加工應用中,尤其在消費類電子產品中,對于加工產能有著極高的要求,如果為了保證加工質量而使整個運動軌跡都處于慢速掃描,將達不到產能要求,這大大影響了超快激光微加工的應用優勢。PSO功能的引入能夠使超快激光在整個運動軌跡中以固定的距離發送激光脈沖觸發信號而不考慮總體速度,即在直線部分以很快的速度運動,而在圓角部分減速,通常圓角加工部分在整體材料中占有比較小的部分,這樣在保證材料加工效果的同時,就可以最大限度地提高加工產量。


在超快激光加工應用中,尤其在消費類電子產品中,對于加工產能有著極高的要求,如果為了保證加工質量而使整個運動軌跡都處于慢速掃描,將達不到產能要求,這大大影響了超快激光微加工的應用優勢。PSO功能的引入能夠使超快激光在整個運動軌跡中以固定的距離發送激光脈沖觸發信號而不考慮總體速度,即在直線部分以很快的速度運動,而在圓角部分減速,通常圓角加工部分在整體材料中占有比較小的部分,這樣在保證材料加工效果的同時,就可以最大限度地提高加工產量。



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