作為實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的高精度制造的獨(dú)特工具，超快激光器在過去幾年中已得到廣泛使用和認(rèn)可（圖1）。 這類激光器能夠在不產(chǎn)生熱效應(yīng)的情況下處理幾乎任何類型的材料的能力已經(jīng)開辟了許多新的工業(yè)應(yīng)用，如醫(yī)療設(shè)備制造、高速玻璃切割或半導(dǎo)體切割等等，僅舉幾例。
圖1. 這是一款高功率的工業(yè)型超快激光器。
超快激光微加工的一個關(guān)鍵優(yōu)勢就是不產(chǎn)生熱效應(yīng)。 在大多數(shù)激光工藝中，熱吸收和隨后的能量轉(zhuǎn)移到基體會導(dǎo)致材料燒蝕。相較之下，超快激光加工依靠短脈沖持續(xù)時間和高光強(qiáng)度來電離被輻照的區(qū)域，然后在任何熱擴(kuò)散發(fā)生之前噴射該輻照區(qū)。 激光燒蝕主要限于被激光輻照的體積，因此具有非常高的精準(zhǔn)性。 然而，這也意味著與傳統(tǒng)的激光工藝相比，燒蝕物質(zhì)的數(shù)量非常小。 因此，超快激光器的最初應(yīng)用僅限于利基市場，主要由于該市場對高精度有非常高的需求，并且沒有大量生產(chǎn)的要求。
自工業(yè)超快激光技術(shù)誕生以來，對于高工業(yè)生產(chǎn)能力的需求已經(jīng)成為了關(guān)鍵的發(fā)展動力。最直接的做法是增加激光平均功率。 如果單個激光脈沖去除給定數(shù)量的材料，那么增加激光重復(fù)率（即，每秒脈沖數(shù)）將能夠即刻提高工藝效率。
超快激光器的發(fā)展與演變
第一代工業(yè)超快激光器的平均功率在1W到10W的范圍內(nèi)。 在過去十年中，已經(jīng)開發(fā)了三種不同的方法來克服這一局限性。首先，微結(jié)構(gòu)光纖通過提供大模場面積和單橫模傳播，擴(kuò)展了整個光纖長度范圍產(chǎn)生的熱量，實(shí)現(xiàn)了高平均功率的加工。 其次，薄碟片技術(shù)為單位脈沖提供了高能量，從而獲得更高的平均功率，但卻對脈沖重復(fù)率造成了一些限制。
近來，板條激光技術(shù)通過光束橫截面積和多程放大的結(jié)合，也提供了顯著的潛力。所有這些技術(shù)都已經(jīng)促使商用型超快激光器的功率保持在100W的范圍內(nèi)，同時，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的展示產(chǎn)品的平均功率也達(dá)到了1kW以上，這足以覆蓋大多數(shù)現(xiàn)有的應(yīng)用。
然而，僅僅只有激光功率并不足以保證高產(chǎn)量生產(chǎn)。 例如，即使激光物質(zhì)的相互作用在亞皮秒范圍幾乎是無熱化的，當(dāng)以高重復(fù)率操作激光時，也可能會發(fā)生熱積聚。 熱積聚來自以下情況：即使在非常小的單個脈沖中，其吸收的熱量的剩余量在下一個激光脈沖敲擊在材料上的相同位置之前無法消散。可能獲得的緩解方案是要確保激光束移動得足夠快，以防止局部熱積聚。 然而，這樣一來，所需的速度比常規(guī)電流計掃描儀容易得到的速度更快。
多邊形掃描技術(shù)
近幾年來，多邊形掃描儀應(yīng)用于超快激光加工的概念再次興盛。多邊形掃描儀的線性掃描速度大于100m/s，從而可以實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率，同時保持高質(zhì)量的超快激光微加工。 因?yàn)樗鼈兊倪\(yùn)行方式與傳統(tǒng)的掃描儀從根本上不同。傳統(tǒng)掃描儀只能在單一維度上提供高速度，而這種多邊形掃描儀的獨(dú)特性使其適用于高速，大面積的表面處理和銑削加工，或是能夠完成高質(zhì)量的多孔模式的鉆孔加工。
要利用多邊形掃描儀進(jìn)行高產(chǎn)量加工，需要滿足的條件包括實(shí)現(xiàn)高激光功率以及先進(jìn)的光束時域工程。 激光脈沖的快速開- 關(guān)切換以及激光重復(fù)頻率和多邊形旋轉(zhuǎn)之間非常精確的同步性，對于確保激光束在每一次旋轉(zhuǎn)時，能夠精確敲打在每個多邊形面中的相同位置是必不可少的。
圖2. 使用高速多邊形掃描儀進(jìn)行表面紋理化的示例。 （圖片出處：Next Scan Technology 公司）
表面處理的應(yīng)用受益于高速多邊形掃描技術(shù)的發(fā)展（圖2）。例如，超快激光器可以在無需任何化學(xué)處理的情況下對金屬表面做改性處理，從而使外觀呈現(xiàn)美麗的深黑色的著色效果（圖3）。這僅限于諸如高檔手表或小型電子消費(fèi)設(shè)備等奢侈品的激光打標(biāo)應(yīng)用。
圖3. 未經(jīng)處理的（a）與用超快激光（b）處理的銅的黑色著色。 （圖片出處：Alphanov 公司）
加快紋理的處理速度可以開辟出新的市場。硅的表面紋理也可以大大增加其吸光度，從而得到更高的光電轉(zhuǎn)換效率。 目前通過在小型紅外光電探測器上的使用發(fā)現(xiàn)，更快的加工速度可將高效率的太陽能電池帶入市場。
光束復(fù)用和整形
增加工業(yè)應(yīng)用中的生產(chǎn)量的另一種方法是利用目前的工業(yè)型超快激光器可獲得的高脈沖能量，具體方式是將激光束分成多個子束。 在許多應(yīng)用中，幾微焦的脈沖能量就足以滿足材料處理的需求。 目前的大功率超快激光器具有幾百微焦的脈沖能量。 光束多路復(fù)用可以通過使用靈活性最高的空間光調(diào)制器或固定衍射光學(xué)元件來實(shí)現(xiàn)最佳效率。
在另一個例子中，玻璃切割是超快激光器最為重要，同時又最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用之一（圖4）。 目前使用機(jī)械手段的技術(shù)在處理薄型淬火玻璃或多層玻璃時具有很大的局限性。超快激光器可以提供所需的質(zhì)量，但通常會以折損加工速度為代價。
圖4. 使用超快激光切割的玻璃示例。
使用非衍射貝塞爾光束的光束整形技術(shù)領(lǐng)域的最新發(fā)展允許創(chuàng)建出一個細(xì)長的焦點(diǎn)，其半徑在超過1mm的長度內(nèi)保持在幾十微米的范圍。加上激光脈沖時域整形，如采用觸發(fā)模式操作，這一工藝已經(jīng)為高速切割厚型的多層玻璃提供了多種手段，并且這仍是一個極富前景的研發(fā)領(lǐng)域。
對于微電子更好的一體化的要求推動了對先進(jìn)的3D 封裝的需求。 為了滿足這種需求，亟需采用新的方法來連接垂直相分離的隔層。被數(shù)百萬個微孔穿孔的薄插入件，由硅和玻璃制成，提供了高連接密度以及層與層之間的物理分離。為了制造該部件，就需要以非常高的速度產(chǎn)生多個微孔。 通常來說，要得到直徑為10 至30μm，螺距30 至100μm 的孔，必須在100μm或更小的玻璃板上以5000 至10000 洞/ 秒的速度打孔。結(jié)合高功率超快激光器，光束整形技術(shù)和光束復(fù)用與衍射光學(xué)元件將再次在質(zhì)量處理和速度方面取得顯著進(jìn)展。
最新一代的平均功率超過100W 的工業(yè)激光器，通過提供高產(chǎn)量工藝的潛力，打破了傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的核心障礙。 然而，為了充分利用激光光源，光束工程——即激光輸出和工件之間的光束的整形，功能化或處理已經(jīng)成為重要的研發(fā)領(lǐng)域。
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