要想在機械加工中實施高成本效率的解決方案，高質高速的微加工是非常重要的。使用激光器進行微加工在近些年已經有了穩步發展，預計到2015年激光微加工市場將達到7.52億美元。隨著近年來激光技術的迅猛發展，納秒紫外半導體泵浦固體激光器的單脈沖能量和脈沖重復頻率(PRF)有了長足的進步。對于任何激光微加工應用來說，如果想要獲得材料去除最大化以及熱損傷最小化，那么有效利用激光器的能量是至關重要的。
使用最優化的能量密度 (J/cm2）對于短脈沖激光器的材料去除尤為重要。與長脈沖相比，短脈沖將使得熱滲透深度更小，這意味著更小的殘留熱影響區(HAZ)，從而得以進行嚴格控制下的精密微加工。這也是為什么許多業內人士在其質量要求最嚴格的應用中使用納米短脈沖半導體泵浦固體激光器的原因了。
與此同時，加工商總是希望得到更快的加工速度，而盡管短脈沖可以進行快速的加工處理，但是如果工藝優化不合適，那么將會導致相對較少的材料燒蝕（因為加熱深度較淺）。當僅僅簡單地增加脈沖能量以獲得更快的加工處理時，有可能會影響到短脈沖在加工質量方面的優勢。所以，我們應該考慮到短脈沖的加熱體積較小，因而燒蝕閾值更小，這意味著在實施材料去除的時候，對相同的輻照區域（例如焦點光斑尺寸）而言，更短的脈沖需求的輸入能量更少。考慮到這一點，我們應該靈活考慮激光器和加工過程，以及可行的脈沖能量在空間和時間上的分布方式，來確保同時獲得高質量和高加工速度。
為實現更高的加工速度，最直接的做法是增加能量密度，尤其是在激光能量較高時，但是這是一種效率低下的方法，而且有可能會降低加工的質量。圖1和圖2的數據清楚地說明了這一點。圖1顯示，在氧化鋁陶瓷上進行深度為30微米的激光劃片時，不同的劃片速度所需要的能量密度。試驗使用了Spectra-Physics Pulseo系列355-20調Q半導體泵浦固體激光器，短脈沖寬度小于23ns。數據顯示，能量密度增加為3倍，只能讓劃片速度提升為2倍。數據清楚地表明這是一種能量密度的能級過量的低效加工。圖2(a)和圖2(b)的顯微照片顯示了過度的加熱以及隨之而來的熱效應將帶來更多的材料燒蝕，因而更高的能量密度下，劃片的寬度更大。
在能量密度較低的情況下進行加工，雖然以每焦耳為基礎的效率更高，但是實際上去除的材料減少了。在其他條件相同的情況下，這會限制加工速度。此外，如今最新的激光器擁有更高的脈沖能量，再使用低能量密度顯然不能與其保持一致。為了充分利用這種脈沖能量，我們的加工必須運行在較低的能量密度下，但同時又可實現更高的處理速度以及高質量。
要想運行在低能量密度下而不影響加工速度，從而更有效地利用更高的激光功率，最簡單的方法就是使用更高的脈沖重復頻率，對于一個典型的倍頻或三倍頻(例如532或355nm)調Q半導體泵浦固體激光器來說，輸出功率隨著脈沖重復頻率的提高而降低。因此，高脈沖重復頻率下的單脈沖能量以及能量密度較低；而由于脈沖重復頻率高，加工速度會更快。雖然本質上每脈沖的材料去除量變少了，但是脈沖速度的增加最終會使凈加工效率得到提高。
圖3中的數據說明了當脈沖重復頻率分別為100kHz和200kHz時氧化鋁陶瓷激光劃片速度和能量密度的函數關系，劃片深度為30微米。從圖中我們可以看到，當激光器的脈沖重復頻率為200kHz時，在較低的能量密度下能獲得更高的劃片速度。而且更妙的是，當脈沖重復頻率提高一倍時，劃片速度遠不止翻番。圖4顯示在更高的脈沖重復頻率下（200kHz），劃片質量不會受到影響。
使激光器在更高的脈沖重復頻率下運行，是最簡單的一種在加工中控制能量密度的方法。但是更高的脈沖重復頻率通常會導致較低的激光輸出功率。那么是否可以使激光器在其最大輸出功率下運行呢？這樣的話，對這一激光器系統來說，就可以達到其最大的加工速度。答案就是使用光束空間整形技術，例如橢圓光束加工和激光光束分束。這些技術可以使激光器在最大輸出功率對應的脈沖重復頻率下運行，因而可以得到最高的加工效率。當然我們也要權衡由此給光學系統增加的復雜性和成本。
使用橢圓激光光束進行加工
橢圓光束加工可用于深且窄的高速劃片。為此我們需要對光束進行整形以確保理想的劃片寬度，因而有必要將光束沿著劃片的方向來拉長，以獲得最佳的能量密度。當短軸保持不變時，拉長光束將會引起能量密度的線性減少。例如，光束拉長一倍，能量密度將減少一半。而最佳的長軸直徑主要取決于我們的劃片目標。除了材料的種類，劃片深度也是一個因素。劃片越深，要求的能量密度也就越高（因此長軸就越短）。
通常，從典型的高斯圓形輸出激光光束變為橢圓光束需要使用一個或多個柱面透鏡。出于方便，我們使用一對配對的柱面透鏡，它們焦距相同，但方向相反，也就是說，一個鏡頭是平凸的，而另一個是平凹的，但它們非平面那一側具有相同的曲率半徑。當這對透鏡置于最終的 聚焦目標之前，可以調節鏡片之間的距離，以調整橢圓的長軸（短軸保持固定）。當距離為零時，光束維持其原始的圓形，因為它基本上只
是通過了一塊平面玻璃；隨著距離的增加，光束被拉得越來越長。
使用橢圓光束的主要優點是可使激光器的高能量在空間中傳播并在目標表面獲得最佳的能量密度。此外，也可以在保持短軸方向的窄的切口寬度不變的同時，來改變長軸以調整激光器的能量密度。
使用短軸為 ~ 10μm 、長軸為~225μm、激光器的能量為~170μJ的橢圓形的光束，目標表面的能量密度為19 J/cm2，我們可以在氧化鋁上以200 mm/s的速度進行深度為30μm的劃片。實驗表明該劃片的質量良好，并且熱影響區(HAZ)很小。
利用激光分束進行加工
傳統上，激光分束是將一束高能激光光束分成多束光束，以對不同材料或者同一材料的不同部位同時進行加工；在此情況下，每一個分束都擁有不同的光路和聚焦目標。而最近，設計師將分束用于鄰近的材料上，每一束分束都共享光路。甚至波束擁有相同的最終
傳輸透鏡，因而可以使材料在很小的面積內獲得相同的特性，而空間上仍然保持分離。在其他情況下，波束作用于靠得足夠近的材料上，以便獲得最大的加工效率同時仍保持高質量。可以通過新型的折射型透鏡來得到波束，例如微透鏡陣列或者專門制造的衍射光學元件(DOEs)。無論是哪種方法，最終的目的是要將激光器的高能量分成“N”個不同的波束；在理想的情況下，每個波束都有著最佳的低能量密度值，以獲得最高的加工效率。
在這里，我們使用MEMS Optical公司的1:7激光分束DOE元件，將能量為~170μJ的激光光束分成 7束波束，每束波束的能量密度為61 J/cm 2。通過1:7激光分束元件，我們可以在氧化鋁陶瓷上進行深度為30μm的激光劃片，劃片速度為175 mm/s。除了較高的劃
片速度以外，激光分束技術所帶來的好處還包括出色的劃片質量，劃片寬度為~15μm，沒有明顯的熱影響區。值得指出的是，我們這里所使用的1:7激光分束元件并不是最佳的選擇，我們還可以獲得更高的劃片速度和更多的分束。但是，每個定制的DOE激光分束元件的費用很高，所以在這里我們只采用了1:7激光分束元件來驗證我們的理論，結果也很讓人滿意。
表1中的數據清楚表明 ，可以通過不同的能量密度控制技術在氧化鋁陶瓷上進行高質量、高速度、深度為30μm的激光劃片。增加脈沖重復頻率是一個直接而有效的方法，而在空間上分配激光器的全部能量可以獲得更高的加工效率，盡管這需要在激光光束傳送系統上花費額外的成本，而且也增加了復雜性。我們在這里論證了，與僅僅簡單地增加脈沖重復頻率相比，使用橢圓光束整形和1:N激光分束這兩種技術，可以帶來更高的加工效率，質量也依然很高。
總結
為了獲得最大的材料去除以及最小的熱影響區，控制激光器在目標表面的能量密度是至關重要的。可以使用多種能量密度控制技術以實現最佳的加工效率，對于每種技術我們都需要權衡它的性能、復雜性和成本。在某些情況下，可能僅僅調整激光器的脈沖重復頻率就可以獲得高效益及高質量；而有時，空間能量密度控制技術，例如我們前面提到的橢圓光束整形和激光分束技術，可以更加充分地實現某一激光源的效率潛力，但是復雜性和成本也會隨之增加。
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
