轉(zhuǎn)自 江蘇激光產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟
江蘇激光聯(lián)盟導(dǎo)讀：
考慮到在使用皮秒脈沖激光源進(jìn)行加工時(shí)，金屬中的燒蝕閾值非常低，因此必須小心管理所施加的激光注量，以最大限度地提高材料去除效率，同時(shí)將有害熱影響降至最低。銅和不銹鋼的爆裂加工是一種靈活且經(jīng)濟(jì)高效的方法，可以替代其他技術(shù)，空間波束成形和超高速波束掃描可優(yōu)化這些工藝。
江蘇激光聯(lián)盟導(dǎo)讀：
考慮到在使用皮秒脈沖激光源進(jìn)行加工時(shí)，金屬中的燒蝕閾值非常低，因此必須小心管理所施加的激光注量，以最大限度地提高材料去除效率，同時(shí)將有害熱影響降至最低。銅和不銹鋼的爆裂加工是一種靈活且經(jīng)濟(jì)高效的方法，可以替代其他技術(shù)，空間波束成形和超高速波束掃描可優(yōu)化這些工藝。
多年來(lái)，超短脈沖激光可以加工出各種各樣的高質(zhì)量材料。通過(guò)適當(dāng)優(yōu)化的工藝，這種激光器可以創(chuàng)造出具有極高質(zhì)量的特征，而不會(huì)產(chǎn)生與熱有關(guān)的缺陷，例如金屬中的邊緣毛刺和/或熔融材料，以及玻璃中的碎屑或裂紋。工藝優(yōu)化的一個(gè)關(guān)鍵方面是在工件上產(chǎn)生最佳的注量，該注量高到足以有效去除材料，同時(shí)又低到足以避免周圍材料中的熱損傷。今天的激光器提供不斷增加的脈沖能量和平均功率，將允許更高的材料處理量。然而，隨著功率和能量的增加，在確定合適的設(shè)備和策略以高效加工高質(zhì)量和高產(chǎn)量的材料方面面臨著更大的挑戰(zhàn)。
雖然皮秒激光器通常用于加工玻璃和藍(lán)寶石等材料，但它們也越來(lái)越多地用于加工金屬和半導(dǎo)體等材料。為了避免可能導(dǎo)致熱損傷的過(guò)高注量水平，可以增加光束尺寸或簡(jiǎn)單地在更高的脈沖重復(fù)頻率（PRF）下操作。然而，這兩種情況都需要提高掃描速度，以避免累積加熱，并且在某些情況下需要AOM偏轉(zhuǎn)器或多邊形掃描儀等設(shè)備，從而增加系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。
圖1不同亞脈沖數(shù)和亞脈沖分離時(shí)間下銅的燒蝕速率。或者，可以在時(shí)域中劃分激光強(qiáng)度，例如通過(guò)將單個(gè)高能脈沖分割為多個(gè)低能脈沖，每個(gè)低能脈沖產(chǎn)生更接近最佳的注量水平。對(duì)于這種類型的“突發(fā)”處理，光譜物理公司的IceFyre皮秒激光平臺(tái)表現(xiàn)出色，因?yàn)樗ㄟ^(guò)時(shí)間移位皮秒技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高度可裁剪的脈沖輸出。IceFyre 1064-50激光器在1064 nm波長(zhǎng)下提供大于200µJ的脈沖能量和大于50 W的平均功率。在突發(fā)模式操作中，時(shí)間間隔、突發(fā)包絡(luò)內(nèi)的脈沖數(shù)和突發(fā)包絡(luò)的形狀可以廣泛變化，同時(shí)保持最大輸出功率，這是競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品中的獨(dú)特能力。
銅和不銹鋼是兩種廣泛應(yīng)用于各種重要行業(yè)的金屬。銅具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，在各種電子應(yīng)用中用作導(dǎo)電介質(zhì)，如PCB和柔性PCB制造以及先進(jìn)的電子封裝。此外，銅具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性，不僅在宏觀應(yīng)用中用作冷卻介質(zhì)，而且在熱電冷卻器（TEC）和冷卻LED等小規(guī)模應(yīng)用中也用作冷卻介質(zhì)。
圖2隨著亞脈沖個(gè)數(shù)的變化和亞脈沖分離時(shí)間的延長(zhǎng)，不銹鋼的消融速率也隨之變化。不銹鋼由于具有高強(qiáng)度、耐腐蝕性和抗菌性，在許多行業(yè)都很有價(jià)值。在汽車制造業(yè)中，噴油器噴嘴的激光鉆孔是一個(gè)巨大且不斷增長(zhǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是對(duì)于超快激光器。它還廣泛用于醫(yī)療設(shè)備制造，激光用于切割、鉆孔和標(biāo)記。此外，用于工業(yè)印刷和復(fù)雜紋理壓花的不銹鋼模具的激光加工具有巨大且不斷增長(zhǎng)的應(yīng)用空間。銅和不銹鋼都具有相對(duì)較低的燒蝕閾值，因此將單個(gè)脈沖分割為多個(gè)脈沖應(yīng)該是有益的。
不銹鋼是一種具有挑戰(zhàn)性的加工材料，具有良好的質(zhì)量和高的產(chǎn)量。與銅相比，它的導(dǎo)熱系數(shù)非常低，當(dāng)使用高平均功率激光器進(jìn)行加工時(shí)，會(huì)導(dǎo)致不良的熱效應(yīng)，如邊緣毛刺和過(guò)度熔化導(dǎo)致的粗糙表面質(zhì)量。然而，在IceFyre皮秒激光器和適當(dāng)?shù)淖⒘靠刂葡拢梢垣@得卓越的質(zhì)量。圖3a顯示了用掃描白光干涉儀生成的不銹鋼銑槽的三維輪廓。加工表面非常光滑，粗糙度參數(shù)Ra低于原鏡面拋光表面。圖3b顯示了銑削特征的二維線條輪廓，并清楚地說(shuō)明了沒(méi)有任何邊緣毛刺。這種高質(zhì)量的機(jī)械加工非常適合用于壓花和印刷應(yīng)用的金屬模具制造，這是一個(gè)巨大且不斷增長(zhǎng)的超快激光器市場(chǎng)。
圖3用IceFyre 1064-50激光加工不銹鋼時(shí)，光學(xué)輪廓儀圖像顯示粗糙度降低(左)和沒(méi)有毛刺(右)(來(lái)源: Newport Spectra-Physics)利用高倍光學(xué)顯微鏡進(jìn)一步揭示了不銹鋼加工表面的高質(zhì)量。從圖4a中可以看出，在超短皮秒脈沖激光加工中，晶體晶界被揭示出來(lái)，這說(shuō)明了使用皮秒激光源可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)加工。用更高的放大率觀察(圖4b)，我們看到激光誘導(dǎo)的周期性表面結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生了。這些納米尺度的特性是在某些材料中使用皮秒和飛秒脈沖激光產(chǎn)生的，可以被設(shè)計(jì)成具有超親水性和超疏水性的功能表面。
圖4光學(xué)顯微鏡圖像顯示，不銹鋼的皮秒加工可以顯示晶粒結(jié)構(gòu)（左）以及生成納米級(jí)周期性表面結(jié)構(gòu)（右），這些結(jié)構(gòu)可用于各種表面功能化應(yīng)用。在突發(fā)模式下加工時(shí)的吞吐量方面，兩種金屬的最高燒蝕率都是通過(guò)最短的測(cè)試脈沖分離時(shí)間（10 ns）實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于這個(gè)10 ns的短脈沖內(nèi)脈沖分離時(shí)間，圖5中繪制了銅和不銹鋼的燒蝕率與脈沖內(nèi)子脈沖數(shù)的函數(shù)關(guān)系。
從圖5可以看出，在脈沖小于20個(gè)脈沖時(shí)，銅的燒蝕速率高于不銹鋼。然而，超過(guò)20次脈沖后，銅的速率趨于平穩(wěn)，而不銹鋼的速率仍在上升。
圖5脈沖間隔時(shí)間為10 ns時(shí)，不同脈沖數(shù)下不銹鋼和銅的燒蝕速率。
考慮到在使用皮秒脈沖激光源進(jìn)行加工時(shí)，金屬中的燒蝕閾值非常低，因此必須小心管理應(yīng)用的激光注量，以最大限度地提高材料去除效率，同時(shí)將有害熱影響降至最低。盡管空間波束成形和超高速波束掃描允許進(jìn)行此類優(yōu)化，但這些方法通常成本高、復(fù)雜且不靈活。另外，Spectral Physics的IceFyre激光器允許在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行簡(jiǎn)單的脈沖強(qiáng)度調(diào)整，這種方法已被證明能夠提高銅和不銹鋼的材料去除率。此外，IceFyre激光器已經(jīng)證明，它可以在不銹鋼中創(chuàng)造非常高的質(zhì)量特征，而不銹鋼傳統(tǒng)上是一種具有挑戰(zhàn)性的加工材料。
來(lái)源：Photonics Views -2019 - Bovatsek - Burst Machining of Copper and Stainless Steel with PicosecondLasers，DOI: 10.1002/phvs.201900008
