超短脈沖(USP)激光器向工件傳遞光子，如果傳遞得當，能夠在加工過程中產(chǎn)生很少或沒有熱量。這是在這種脈沖長度范圍內工作的主要好處。在過去的20年里，USP激光器作為一種工業(yè)加工工具已經(jīng)起飛，重點是切割和鉆孔應用，特別是那些用長脈沖長度的激光器無法實現(xiàn)所需的最終產(chǎn)品，或者需要大量昂貴的激光后處理的應用。目前，一些不同的表面應用領域正在被研究，甚至在生產(chǎn)環(huán)境中使用。
一個重要的激光應用領域是增材制造。USP激光器一般不被認為是用于這一過程的激光器，因為它們的優(yōu)點是沒有熱量，但它們正被研究用于直接激光輔助沉積，以生產(chǎn)精確或敏感的部件，它們也被用于激光輔助制造部件的精密后處理。例如，使用雙光子聚合技術可以用丙烯酸樹脂打印3D結構。使用市面上的軟件可以實現(xiàn)非?？斓膶懭胨俣?。圖1顯示了在200毫米/秒的寫入速度下，以1.5微米的層高和2微米的分辨率制成的部件。
圖1. 高分辨率聚合物沉積的一個例子。
然而，打標仍然是大多數(shù)激光器的銷售對象。這些激光器和系統(tǒng)的銷售價格往往很低，因此在打標應用中使用更昂貴的USP激光器，只能在特殊情況下進行。醫(yī)療設備的不銹鋼打標就是這樣的一個領域。碰巧的是，USP激光打標的部件比其他任何方法打標的部件都要好，它甚至可以用來打出不同顏色的標記，具體取決于激光條件。圖2顯示了一個高度放大的圖像，顯示了不銹鋼表面上白色和黑色飛秒標記之間的差異。這個標記是使用一種叫做BiBurst的功能產(chǎn)生的，它將兆赫茲和千兆赫茲的爆發(fā)結合在一起進行工作。
圖2.顯示了醫(yī)用級不銹鋼（a）上的白色和黑色標記的表面輪廓，以及不銹鋼（b）上的各種飛秒激光標記。
USP的大部分激光活動仍然是在材料去除領域。例如，在模具生產(chǎn)中使用的滾筒表面的三維特征方面，正在創(chuàng)造一個巨大的市場領域。另一個潛在的大市場領域是創(chuàng)造具有某些親水（或疏水）特性的表面。這種特征的深度通常為幾微米到幾百微米，通過直接激光燒蝕來創(chuàng)造。創(chuàng)建這些特征的過程并不復雜，即使有簡單的光學設置。然而，如何擴大規(guī)模，以經(jīng)濟和精確的方式雕刻長達數(shù)英尺、寬達數(shù)英尺的輥子，是將USP激光器納入生產(chǎn)環(huán)境的關鍵。
玻璃很難用長脈沖激光器進行激光加工，但它們可以用USP激光器直接燒蝕，或者對某些材料進行曝光，然后進行化學蝕刻。圖3顯示了一張飛秒激光燒蝕的玻璃幻燈片的高分辨率顯微照片。
圖3.飛秒激光蝕刻的載玻片。
USP激光器在表面的其他可能用途是清潔或去污和拋光。對于小的表面結構，直接使用激光燒蝕可以達到的最佳表面粗糙度是Sa = 0.5 μm。這對許多應用來說是不夠的，因此，在激光燒蝕后必須進行拋光處理。如果同一臺USP激光器和光學裝置可用于這兩個步驟，就會有好處，而且已經(jīng)表明，在金屬上的工藝涉及到產(chǎn)生一個薄的熔融層，然后將材料更均勻地分布在表面。結果顯示Ra<0.3 μm，而USP對一些聚合物的拋光結果顯示Ra<100 nm。
為了擴大該工藝的規(guī)模，需要使用更高的每脈沖能量或脈沖重復率。提高脈沖能量是有限制的，因為太高的能量會使工藝經(jīng)常出現(xiàn)熱負荷，從而否定了USP激光器的主要好處。光束分裂可以解決這個問題；但是，由于USP激光器通常能夠達到非常高的重復率（1-10 MHz或更高），如果光束不能快速移動，以避免停留時間過長而對材料產(chǎn)生熱量，那么可用的重復率就會受到限制。另外，為了充分利用現(xiàn)有的能力，脈沖必須被觸發(fā)，以便均勻地傳遞，包括在加速過程中，如果使用USP激光器，這一點尤其重要。因此，經(jīng)濟地覆蓋大面積的目標一直難以實現(xiàn)。現(xiàn)在，技術的進步使高重復率的USP光能夠非常快速地傳遞到大型功能表面。
全世界正在進行許多協(xié)調工作（激光器/光學器件/系統(tǒng)/應用），以促進USP激光器更大規(guī)模的工業(yè)應用。例如，自然表面展示了特殊的納米和微米級特征如何使表面具有超疏水（如荷葉拒水）或抗菌性?；诩す獾募y理技術是一種能夠模仿自然表面并在不使用添加劑的情況下使其功能化的技術。據(jù)Next Scan Technology（比利時Evergem）的管理合伙人Lars Penning博士說，歐盟資助的項目LAMpAS旨在通過基于千瓦級USP的系統(tǒng)實現(xiàn)高產(chǎn)量。啟用這項技術將確保USP激光器在具有新功能的家用電器和其他快速發(fā)展的消費產(chǎn)品的競爭性制造和商業(yè)化方面發(fā)揮作用。
LAMpAS系統(tǒng)將集成一個基于薄盤技術的皮秒激光器，以兆赫級的重復率提供高達1.5千瓦的功率?；诩す獾臋C器將實現(xiàn)高分辨率（特征尺寸從200納米到200微米）和高產(chǎn)量（高達1-5平方米/分鐘），以滿足功能性和商業(yè)化的目的。
應用納米和微米大小的特征是可以實現(xiàn)的，這要歸功于一種稱為直接激光干涉圖案（DLIP）的多波束加工技術。這項技術能夠在干涉圖案的強度最大值位置發(fā)生的局部燒蝕的基礎上生產(chǎn)重復的表面結構。在LAMpAS項目中，干涉圖案是由兩束激光與一個多邊形掃描系統(tǒng)的重疊產(chǎn)生的。圖4顯示了在鋁表面產(chǎn)生的柱狀結構的一個例子。
圖4.使用DLIP處理過的鋁表面，具有類似柱的幾何形狀。
此外，通過在線監(jiān)測系統(tǒng)進行過程控制，控制激光和基底之間的相互作用，這些技術還可以刺激自組織過程，在微米和亞微米范圍內以均勻的方式產(chǎn)生激光誘導的周期性表面結構（LIPSS）。具有不同特征尺寸的結構的組合對于達到增強的表面性能是有意義的。這種方法將導致應用許多其他獨特的表面特性。LAMpAS項目得到了歐盟地平線2020研究和創(chuàng)新計劃的資助，資助協(xié)議號為825132。它是光子學公私伙伴關系（photonics21.org）的一項倡議。
在過去幾年里，激光領域發(fā)展得非?？欤す馄髦圃焐潭荚谂κ顾麄兊募す馄鞲煽俊⒊杀靖汀⒏菀着c其他部件集成，以便大規(guī)模地實現(xiàn)最終產(chǎn)品，而這是在工業(yè)環(huán)境中全面實施USP激光器所需要的?？磥硎虑檎_的方向發(fā)展，并且進展順利。
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