短脉冲光纤激光加工技术.doc

短脉冲光纤激光加工技术 ???????? 图1.材料加工方法与脉冲激光范围。 ?????在微加工方面，激光技术结合了高水平的加工质量和工业级别的高速度，这促使激光加工技术成为一项颇具吸引力的技术。 ?????作者：Harry Asonen和Jari Sillanpaa ?????摘自：美国Industrial Laser Solutions杂志 ???????? 图2.微加工激光器系统 ?????在过去的几年中，光纤激光加工技术已经成为材料加工应用方面最热门的话题，它具有很好的插座能效，尺寸简洁，而且仅需少量维护工作，可靠性高。在大型加工应用中，光纤激光加工已经抢占了灯泵浦Nd:YAG激光器的市场，并且开拓了一些传统激光技术无法实现的新应用。 ?????由于电子产品市场变化很快，微加工工艺成为激光技术应用中快速增长的领域之一，主要的推动力来自手机和平面显示器，尤其是电视机。新产品型号的更换时间之快，使得人们需要一种通用的技术来将电脑设计直接转换成加工制造。印刷工业中发展起来的计算机直接制版技术（CTP）成为未来电子产品加工发展的模型。利用激光打标技术来直接刻画文本和图案已经成为激光技术在工业中的主要应用之一。类似的激光打标技术在印刷电路板（PCB）加工中可被用来增加、除去材料，或者对材料加热。在柔性基底材料上的印刷电子线路可以说是激光技术最适合的应用，因为它们与材料间无需物理接触，使得它们可以被应用到成卷生产中。柔性PCB新生产方法、超精细栅距互连的接合过程、薄膜制图法等等方面都可以利用基于激光的工具加以改进。 ???????? 图3.实际超短脉冲光纤激光器的关键因素和优点 ??????连续输出和脉冲输出（毫秒量级）的光纤激光器能够提供精确且局域化的热源，它可被用于低温焊接和微焊接。因此，这项技术与标准的回流焊炉、热焊接和压焊技术相比更具有技术优势。通过进一步提高脉冲的峰值功率就能够达到烧蚀阈值。脉宽在微秒到纳秒范围的短脉冲激光器就能够很好地覆盖这个阈值范围。但是，热传导对于热敏性材料和/或高度集成的机器还是可能带来问题，理想的情况是能够将加工的范围限制在激光光斑范围内。 ?????? 图4.典型的光刻过程与激光直接写入的比较 ?????超短脉冲激光器 ?????脉冲宽度在飞秒以及皮秒范围的超短脉冲激光器（USP），能够将能量很好地限制在激光光斑的附近。当功率密度达到每平方厘米内有几十个GW时，激光加工将实现“冷”烧蚀状态，也就是说，在这种情况下，大部分的材料从激光直射的区域直接蒸发（图1）。这样，在光斑附近可能产生的间接破坏就大大减少了，因为材料蒸发时间短，热量来不及传导。大部分被吸收的能量以动能的形成被烧蚀了的材料带走。不过可惜的是，目前超短脉冲激光器很难在工业生产中得到应用。主要的原因是，平均功率低导致加工速度慢，所以很难与自动化材料处理设备相结合，此外就是激光器体积比较大（专用的激光器都是搭建在光学平台上）。 ?????能够同时满足在几十个微米的面积内有合适的光通量，并且平均功率在几十或者几百个瓦特的超短脉冲激光器的研制很难实现（图2）。因为在稍大于烧蚀阈值（≤1J/cm2）时，烧蚀的质量最好，所以，激光脉冲能量不能超过10 μJ。这样，提供平均功率的唯一方法就是增加激光的重复频率，大于传统的调Q范围（使用普克尔盒时，该范围≤500kHz）。 ???????? 图5. 以兆赫兹和千赫兹进行材料加工，两者都具有10W的平均功率 ??????超短脉冲激光器的光纤方案 ??????在工业应用中，超短脉冲激光器与连续波操作具有相同的优势，插座效率高，尺寸小，需要的维护少，可靠性高。脉冲能量的限制主要来自光纤本身。单模光纤的中心直径为10-20 μm，这等于许多微加工应用中所选用的光斑尺寸。这样，我们必须在一定范围内操作，使得光纤的非线性效应和吸收不会影响脉冲的特性，仍然保持目标烧蚀时的最佳条件。在实际操作中，很难在“标准”光纤内提高超短脉冲的能量而超过5-10 μJ范围，甚至在皮秒范围也不能实现。在飞秒光纤激光器的情况下，光纤内的脉冲宽度必须先被展宽，然后输出光纤后被压缩，以实现实际的脉冲能量（啁啾脉冲放大，CPA）。 ??????超短脉冲光纤激光器在连续波（CW）的模式下可以实现很高的功率。准连续波（QCW）模式意味着很高的重复频率（≥100 MHz），在这种情况下，材料烧蚀的反应时间要比脉冲之间的间隔要长。所以，激光与材料的相互作用接近CW激光器的情况。超短脉冲光纤激光器的锁模过程在这个重复频率范围内十分简便，提供了最简单的脉冲输出技术。为了优化材料加工时加工速度与质量的关系，必须降低重复频率，因此，可以使用所谓的“脉冲选择”方案，能够将重