皮秒脉冲激光微加工技术0陶艺设备

皮秒脉冲激光微加工技术

皮秒脉冲激光微加工技术 2011年12月04日 来源： 激光器是许多微加工用途的有效工具，激光聚焦光束可以很容易地会聚到一个直径几微米的目标上（或者通过一只高分辨力物镜将激光曝光的掩膜图形“翻版”到工件上）。在目标区域内激光材料的相互作用将由多个参数加以控制，诸如波长、脉冲能量和脉冲宽度等，这些参数决定脉冲的峰值能量密度。一定的参数组合可以引起打标、切割、穿孔、退火、淬硬等操作所需要的热效应。受激准分子激光器发出的纳秒（ns）脉冲高能UV光子（主要按掩膜图形分布），可以在材料表面引发“无热效应”，用来腐蚀聚碳酸酯薄层或打标。 而且，无热反应，即冷消融，在采用超短脉冲激光器进行的微加工试验中得到了论证，冷消融基本上可以切割任何一种材料。飞秒（fm）激光器能达到数百tW/cm2（太瓦/ cm2）的能量密度，因此可以加工金属、半导体以及玻璃或有机材料等绝缘体。 最近，试验证明皮秒（ps）激光器可以对金属和其它工业材料进行微加工，并达到相同的精度和类似的单位脉冲切除率。皮秒脉冲宽度之短，足以避免能量发生热扩散并达到这些消融临界过程所需要的峰值能量密度。试验和理论分析说明，10 ps左右的激光脉冲宽度适合于许多加工用途[1]，有助于避免在靶标前面的空气中发生的等离子效应和由此引起的光束变形和散射。 皮秒激光器稳定可靠，而且比飞秒激光器便宜。最重要的是，皮秒激光器提供较高的平均功率(10 W)和良好的光束质量（M2 1300 kp/mm2) ，抗磨损性高，几乎适合于每一种钢、合金和铸铁。这类刀片的耐用性和被加工零件的质量取决于刀刃的形状和表面。刀刃倒圆半径由两个基本成分组成：倒角半径和几何参数。改变激光器的输出功率或进给速率可以达到不同的倒圆半径，而刀刃的几何参数必须按照不同的排屑方式而加以调整。因此，切削力或被加工零件的表面质量可能受到影响。另外，在排屑过程中刀刃的几何特征必须适应加工材料的硬度[6]。 图10a的圆角是在焦点直径30 μm和低脉冲能量的组合条件下加工的，非常低的烧蚀速率对刀刃产生一种平滑作用。加工出的半径在2 μm~10 μm之间，具体尺寸与刀刃原始表面的粗糙度有关。图10c是一个表面质量相同但半径较大的圆角（约45 μm），在这种情况下，由于焦点比较大，必须采用较高的脉冲能量。这项工作属于德国联邦教育与研究部 (BMBF) 出资建立的“GEOSPAN”（刀具表面微观结构的生成和测量）工程(>

图10：采用不同加工参数的倒圆角（图片由LZH提供）

上述用途显示，采用高频皮秒脉冲进行微加工可提供高质量和高效率。12 ps以内的脉冲宽度有助于最大限度地减少热损伤和毛刺，避免产生令人烦扰的非线性结果，而且加工后的刀刃质量和表面光洁度几乎与飞秒加工相同。短脉冲与100 kHz高频率相结合，使激光器能够进行有效而无后续处理的烧蚀过程。而且，皮秒激光器有望用来直接剥离金属覆层 — 消除ITO（Indium Tin Oxide）薄层，或对卡车发动机的活塞衬套进行激光珩磨。 除了在电子和微加工应用中可控地切除材料以外，介入蚀变（折射率改变、色心形成或专用添加剂改性），对于在透明材料内生成识别标志或功能性结构来说是一个有前途的方法。 本文作者：Thomas Herrmann 领导该应用实验室，Bernhard Klimt负责Lumera 激光器的市场销售。 Frank Siegel是Laser Zentrum Hannover eV的项目经理。参考文献 ◆ 1.Dausinger F., H. Hügel, and V. Konov. Micro-machining with Ultrashort Laser Pulses: From Basic Understanding to Technical Applications, in proceedings of Conference ALT 02, 5-20 September 2002, Adelboden (Switzerland). ◆ 2.Dausinger F. Femtosecond Technology for Precision Manufacturing: Fundamental and Technical Aspects, in RIKEN Review No. 50 (January 2003). Focused on Laser Precision Micro Fabrication (LPM 2002), p. 77-82. ◆ 3.Ostendorf A., C. Kulik, T. Bauer, and N. Barsch. Ablation of Metals and Semiconductors with Ultrashort-Pulsed Lasers, Improving Surface Qualities of Micro Cuts and Grooves, in proceedings of SPIE Vol. 5340, 2004, p. 153-163. ◆ 4.T nshoff H. K., A. Ostendorf, K. K rber, and N. Barsch. Ablation and Cutting of Planar Silicon Devices Using Femtosecond Laser Pulses, in Applied Physics A 77 (2003), p. 237-242. ◆ 5.T nshoff H. K., F. von Alvensleben, A. Ostendorf, G. Kamlage, et al. Micromachining of Metals Using Ultrashort Laser Pulses, in International Journal of Electrical Machining, No. 4, January 1999. ◆ 6.T nshoff H. K., A. Ostendorf, C. Kulik, and F. Siegel. Finishing of Cutting Tools Using Selective Material Ablation, in proceedings of 1st International CIRP Seminar on Micro and Nano Technology, Copenhagen, Denmark, November 13-14, 2003.(end)

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