皮秒激光器的原理及微机械加工应用

皮秒激光器的原理及微机械加工应用

 超短激光脉冲的激光切除的优点在很多应用中得到了证实，直到最近也没有在工厂的地板上发现这些应用的工业副产物。在工业应用中，除去质量因素以外，可重复生产性和每个零件的成本也是很重要的标准。 
    
    激光系统的可靠性当然和所使用的激光技术直接联系在一起。每个零部件的成本基本上和超短激光脉冲的重复频率直接联系在一起。高附加值，高重复率的生产力，可靠的技术等所有这些要求仅仅在最近通过二极管泵浦的皮秒激光器才完成。

皮秒激光器在大规模生产中的第一次应用在The Photonics West 2005上被报道。20ps脉冲持续时间的1μJ的脉冲被聚焦到薄的钢箔上，在脉冲光束的方向上一系列同心环被去除。不同的同心圆环形成一个园盘，去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的打印头中作为注入墨水的喷嘴。在过去几年中，绝大多数超快激光器制造商集中精力在飞秒激光器的开发上。这些激光器需要一种复杂的CPA技术来保持峰值功率密度在某一个损伤阈值下的放大阶跃内。用这种方式，可以产生mJ水平的脉冲能量，但是重复率被限制在几KHZ。比较而言几百μJ的高脉冲能量对厚材料的钻孔或切割是有利的。柴油机的注入喷嘴的钻孔就是一个例子，这里1mm厚的钢板材料不得不被精密的打孔以致不需要进一步的清洁处理。

    LUMERA LASER 为了这个应用开发了皮秒激光器STACCATO。因为它的脉冲时间在皮秒范围内，STACCATO激光系统不需要CPA技术。激光工作物质Nd:YVO4允许用激光二极管直接泵浦，使其具有高的脉冲能量和高的重复频率。STACCATO激光系统在10ps的脉冲持续时间内在1064nm时输出10W的平均功率，它的激光束接近衍射极限，能被很理想的聚焦。 

    与飞秒激光器相比，达到100KHZ的非常高的重复频率保证了高的生产率。在紫外光谱区域许多材料有比较高的线形吸收系数，对材料的去除来说这是非常有利的。从STACCATO发出的红外激光辐射因为其非常高的峰值功率密度能够被转化成更短的激光波长532nm，355nm和266nm。　当由STACCATO激光器产生的100μJ的光脉冲打到材料上时冷切除被触发，但是快速扩散的等离子体仍然可能导致材料的热效应。因此对一个好的结果而言，不但超短激光脉冲的产生是重要的而且适当的工艺技术也是重要的。据证明像开孔这样的工艺对微机械加工结果而言不但适当的加工策略是重要的，而且偏振控制，适当的使用辅助气体和真空喷嘴也很重要。图2 展示了在钢铁和陶瓷上的高质量的小孔。热引起的裂纹，液化点可以通过使用适当的加工策略避免。图2 左右分别为在钢铁和陶瓷上用皮秒激光器加工的孔在材料去除时伴随着高脉冲能量的强等离子体的形成引起了一个问题，即市场上能获得的超快激光器是否为精密的表面加工而设计得理想。下面的考虑涉及到超快激光器对靠近表面的材料的精密去除的理想的参数。　在许多实验中一般的经验表明，如果在合理的的去除速率条件下最好的精度可以通过功率密度选择在5-10倍的阈值超短激光脉冲获得。对金属而言，这意味着10PS的脉冲的能量密度应该为1J/cm2。如果微机械加工的激光束被聚焦成典型的直径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，等离子的形成是最小的，质量是很好的，可以加工出来0.1μm精度的微结构。

    STACCATO皮秒激光器的100个脉冲处理后，材料按照定义的方式被去除，以致激光束的轮廓被映射到材料上。有希望的实际应用是为机械，化学，液体设计的金属部件的表面加工。皮秒激光器激光加工可以进行几乎所有高生产率的结构加工。 结构是通过STACCATO激光器在50KHZ，将532nm的光辐射聚焦到直径为25μm的一个点上加工出来的。涡轮叶片表面的适当设计的结构能非常显著地减小摩檫力，燃料消耗和环境损坏。
  
    作为上述内容的总结，表面加工激光器应该有皮秒级的脉冲持续时间，几μJ的中等脉冲能量和非常高的重复率。这样的激光器最近由LUMERA 投入市场，这款激光器名为RAPID。因为相对简单的设计，使RAPID这款激光器具有尺寸小的，结构紧凑的特点，它由皮秒激光振荡器，放大器和非常快的Pockels核组成，以致它能提供高达500KHZ的重复率。超快激光器的微机械加工要求各种加工参数。RAPID的重复率可以从外部进行控制。单脉冲工作，突发模式或任何外部定义的脉冲序列都可以通过TTL脉冲来触发。这致使各种加工策略成为可能，并能提供光束路径的控制。光束束斑质量非常好，而且很稳定，在各种重复率的不同环境下几乎没有任何影响，这些特点是非常显著的。RAPID的激光束几乎接近衍射极限因此表现出良好的可聚焦性。它的脉冲持续时间大约为10ps，脉冲能量即使在高的重复率和转换成532nm，355nm，266nm的条件下也是足够超过去除金属的阈值能量的。脉冲与脉冲的能量变化小于1%rms。 
 
    RAPID激光器的技术设计中，其输出激光参数、可控性能等指标表明该激光器是金属表面加工的理想工具，如金属表面打孔，存储器的修补，以及在半导体工业中的打标等。