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皮秒脈沖激光微加工技術(shù)
2012-12-20
激光器是許多微加工用途的有效工具，激光聚焦光束可以很容易地會(huì)聚到一個(gè)直徑幾微米的目標(biāo)上（或者通過(guò)一只高分辨力物鏡將激光曝光的掩膜圖形“翻版”到工件上）。在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)激光材料的相互作用將由多個(gè)參數(shù)加以控制，諸如波長(zhǎng)、脈沖能量和脈沖寬度等，這些參數(shù)決定脈沖的峰值能量密度。一定的參數(shù)組合可以引起打標(biāo)、切割、穿孔、退火、淬硬等操作所需要的熱效應(yīng)。
受激準(zhǔn)分子激光器發(fā)出的納秒（ns）脈沖高能UV光子（主要按掩膜圖形分布），可以在材料表面引發(fā)“無(wú)熱效應(yīng)”，用來(lái)腐蝕聚碳酸酯薄層或打標(biāo)。
皮秒激光器穩(wěn)定可靠，而且比飛秒激光器便宜。最重要的是，皮秒激光器提供較高的平均功率(10 W)和良好的光束質(zhì)量（M2 < 1.5），且頻率高達(dá)100kHz，從而減少單件成本，并使這種微加工技術(shù)具備工業(yè)應(yīng)用的資格。如果一個(gè)增強(qiáng)的皮秒激光系統(tǒng)完全調(diào)整到合適的狀態(tài)，就能通過(guò)每個(gè)脈沖去除聚焦范圍內(nèi)幾納米~幾十納米厚的材料，為工業(yè)過(guò)程提供極好的通過(guò)軟件驅(qū)動(dòng)的3D控制能力。這使材料切除率達(dá)到1 mm3 /min左右（鋼），激光加工總成本約25美分/min。
這樣的激光器有望成為高質(zhì)量的新型加工工具，用于計(jì)算機(jī)控制的加工系統(tǒng)中，對(duì)任何一種材料（金屬、半導(dǎo)體以及玻璃、鉆石、陶瓷和聚合物等絕緣體）進(jìn)行穿孔、切割或表面蝕刻。
例如，2003年Lumera Laser展示了這種類型的首臺(tái)激光器Staccato，該設(shè)備以1064 nm脈沖寬度提供 10 W TEM00激光輸出，在100kHz頻率下提供脈沖寬度12 ps、脈沖能量100 μJ的激光輸出，足以使任何材料在直徑150 um左右的靶標(biāo)區(qū)域內(nèi)達(dá)到消融臨界點(diǎn)。
上述用途顯示，采用高頻皮秒脈沖進(jìn)行微加工可提供高質(zhì)量和高效率。12 ps以內(nèi)的脈沖寬度有助于最大限度地減少熱損傷和毛刺，避免產(chǎn)生令人煩擾的非線性結(jié)果，而且加工后的刀刃質(zhì)量和表面光潔度幾乎與飛秒加工相同。短脈沖與100 kHz高頻率相結(jié)合，使激光器能夠進(jìn)行有效而無(wú)后續(xù)處理的燒蝕過(guò)程。而且，皮秒激光器有望用來(lái)直接剝離金屬覆層 — 消除ITO（Indium Tin Oxide）薄層，或?qū)ㄜ嚢l(fā)動(dòng)機(jī)的活塞襯套進(jìn)行激光珩磨。
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