本期我們將從理論概念擴(kuò)展到實際加工應(yīng)用，介紹超快激光微加工中兩個重要的功能 - Burst Mode和PSO，它們間接影響著超快激光的加工質(zhì)量和產(chǎn)能。
單詞解釋：
（1）Burst Mode：在激光行業(yè)里，通常簡稱“脈沖串”模式
（2）PSO：position synchronized output, 位置同步輸出
超快激光的基本原理
小編首先和大家簡單回顧一下超快激光器的基本原理結(jié)構(gòu)，以便更好地理解Burst Mode和PSO的功能作用。根據(jù)超快激光放大技術(shù)原理不同，目前市場上的超快激光器主要包括碟片式、光纖式、固體式以及光纖-固體混合式（種子源采用光纖激光器，放大器部分采用固體放大）四種類型。大多數(shù)超快激光器的基本結(jié)構(gòu)都是類似的，主要由種子源、脈沖選擇器、放大器和 AOM 四大部分組成。飛秒超快激光器的結(jié)構(gòu)上會稍微復(fù)雜一些，在種子源和脈沖選擇器之間增加一個展寬器，并在放大器之后增加一個壓縮器。
如圖1所示，超快激光器的種子源通常采用20-80MHz的高重復(fù)頻率皮秒光源，先經(jīng)過脈沖選擇器來降低種子源輸出頻率，在功率放大之前會綜合考慮脈沖放大的目標(biāo)能量、系統(tǒng)設(shè)計的最大泵浦功率以及散熱管理等因素，通常將重頻頻率降低在5MHz以下，篩選后的種子源經(jīng)過放大器后功率/能量得到放大提升，最后再經(jīng)過AOM，可以進(jìn)一步控制激光的輸出功率及重復(fù)頻率，并且借助外部促發(fā)信號可以實現(xiàn)單觸發(fā)輸出。
圖1. 超快激光器的基本原理結(jié)構(gòu)示意圖
超快激光的Burst Mode功能
Burst Mode的產(chǎn)生是通過受控光開關(guān)選擇與種子源重復(fù)頻率相同的多個高頻子脈沖，組成一個脈沖串輸出。圖2列舉了脈沖串包絡(luò)中的子脈沖數(shù)量為2至5時的輸出形式，其特點是多個間隔數(shù)十納秒的子脈沖組成一簇，并且脈沖串包絡(luò)中相鄰脈沖的時間間隔由種子源的重復(fù)頻率所決定，比如種子源的重復(fù)頻率為20MHz，則脈沖串內(nèi)部的脈沖間隔為1/20 MHz = 50 ns。這種脈沖的重新排列組合可通過脈沖選擇器來實現(xiàn)完成。另外，在某些產(chǎn)品設(shè)計中，還會增加對脈沖串包絡(luò)中各個子脈沖的能量強(qiáng)度的調(diào)節(jié)功能。
Burst Mode的獨特優(yōu)勢是不僅可以調(diào)諧脈沖串包絡(luò)中的子脈沖數(shù)量以及脈沖串的時間間隔，而且同時能夠保持超快激光的最大輸出功率。比如，在5MHz，50W的超快激光器系統(tǒng)中，由于材料加工工藝的要求，需要在較低的重復(fù)頻率（500kHz）下工作，否則會由于重復(fù)頻率過高引起熱積累效應(yīng)（可參考諾派《激光小學(xué)堂》第二期），在這種情況下，直接降頻將導(dǎo)致超快激光的加工效率大大降低。利用Burst mode功能，可以在重復(fù)頻率降為500kHz的同時，把脈沖串的子脈沖數(shù)量設(shè)定為10，其總的輸出功率仍是50W，這樣既能保證超快激光微加工的質(zhì)量，同時又能提高加工產(chǎn)能。
圖2. 超快激光器不同脈沖串包絡(luò)中子脈沖數(shù)量示意圖（n = 2 ~ 5）
超快激光的PSO功能
目前很多的超快激光微加工應(yīng)用都包含了圓角、曲線等運動軌跡，比如說全面屏切割，對于此類軌跡，通常直線部分的切割速度更快，在圓角部分會緩慢移動。如果以固定頻率發(fā)射激光脈沖，工藝將因軌跡上的不同速度而高度變化，并且在更低運動速度段因更高脈沖重疊而發(fā)生不必要的“老化”（如圖3a）。為保證這種快速變速軌跡的加工質(zhì)量，工業(yè)超快激光系統(tǒng)需要將加工平臺的運動與觸發(fā)激光或數(shù)據(jù)采集設(shè)備的輸出協(xié)調(diào)起來，從而實現(xiàn)高速、高質(zhì)量的運動控制。
PSO的主要功能：通過采集實時的編碼器反饋進(jìn)行位置比較，與激光器同步輸出信號進(jìn)行相位同步，在運動軌跡的所有階段以恒定的空間（而非時間）間隔觸發(fā)發(fā)射激光，包括加速、減速和勻速段，從而實現(xiàn)脈沖能量均勻地作用在被加工物體上。圖3列舉對比了不含PSO功能及含PSO功能的兩種圓角矩形的加工效果示意圖，可以很明顯觀察到，利用PSO功能，在整個運動軌跡中激光發(fā)射的光斑均勻分布，即使在拐角曲線處也避免了因過度加工而導(dǎo)致的老化現(xiàn)象，從而保證了整體加工質(zhì)量的一致性。
圖3. 超快脈沖激光移動運動過程中與物質(zhì)相互作用示意圖：（a）不含PSO功能；（b）含PSO功能
在超快激光加工應(yīng)用中，尤其在消費類電子產(chǎn)品中，對于加工產(chǎn)能有著極高的要求，如果為了保證加工質(zhì)量而使整個運動軌跡都處于慢速掃描，將達(dá)不到產(chǎn)能要求，這大大影響了超快激光微加工的應(yīng)用優(yōu)勢。PSO功能的引入能夠使超快激光在整個運動軌跡中以固定的距離發(fā)送激光脈沖觸發(fā)信號而不考慮總體速度，即在直線部分以很快的速度運動，而在圓角部分減速，通常圓角加工部分在整體材料中占有比較小的部分，這樣在保證材料加工效果的同時，就可以最大限度地提高加工產(chǎn)量。
在超快激光加工應(yīng)用中，尤其在消費類電子產(chǎn)品中，對于加工產(chǎn)能有著極高的要求，如果為了保證加工質(zhì)量而使整個運動軌跡都處于慢速掃描，將達(dá)不到產(chǎn)能要求，這大大影響了超快激光微加工的應(yīng)用優(yōu)勢。PSO功能的引入能夠使超快激光在整個運動軌跡中以固定的距離發(fā)送激光脈沖觸發(fā)信號而不考慮總體速度，即在直線部分以很快的速度運動，而在圓角部分減速，通常圓角加工部分在整體材料中占有比較小的部分，這樣在保證材料加工效果的同時，就可以最大限度地提高加工產(chǎn)量。
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