微射流水波导激光加工系统 - 泉州市科技局.pdf

泉州市科技局公开征集产业重大 关键技术解决方案 方案名称：微射流水波导激光加工系统 技术领域：激光加工 产业领域：先进制造技术设备 方案申请单位（盖章）： 方案负责人：黄元庆 单位法人代表：朱崇实 通讯地址：福建省厦门市思明区思明南路422 号厦门大学科 学楼227 联系电话0592-2186810 推荐部门：厦门大学物理与机电工程学院 起止时间：2015 年5 月至2018 年5 月 一、方案概述 （简要说明方案立项的必要性、方案目标、研 究内容、技术方案、筹资方案、组织方式、相关基础条件等） 光与水射流相复合的加工技术，即水导引激光加工技术 是激光加工技术发展的一个新方向。微射流水波导激光利用 微射流水束形成光波导，将激光导引到加工表面，与采用光 学系统会聚的传统激光加工装臵相比，具有加工距离长的特 点，同时水在加工表面形成保护层，避免了材料表面热损伤 以及污染物和熔渣附着，从而大幅度提升良品率。由于微射 流水波导激光加工技术有加工距离长、热影响区小、无热熔 渣和加工效率高等优势，已在微电子、航空制造、机械、医 学等具有高附加值的尖端加工领域中得到应用，例如高品质 的半导体晶片、血管支架等。 针对该应用需求，本项目综合激光加工和水射流加工的 优点，研制高精度的微射流水波导激光加工系统，主要创新 点有： (1)首次将无衍射光应用于微射流水波导激光加工系 统； (2)利用轴棱锥镜产生的无衍射光束在无衍射区域内光 束发散角小的优点，设计特殊的激光加工头，有效地解决了 激光与水波导的耦合损耗关键技术； (3)利用独特的光学系统和亚像素定位检测算法实现对 激光加工过程光束光斑中心的高精度定位和实时监控。 本项目产品已获得多项国家发明专利授权，研究成果达到国 内领先水平。产品在生产和使用过程中无额外碳排放，不会 造成环境污染。 申报人及其团队长期从事激光技术和仪器的研发，多年 来一直致力于微射流水波导激光加工技术及系统的研制，已 取得多项国家发明专利。这些系统可作为原型样机，经进一 步完善转化成工业产品，整体性能将超过国外同类系统，具 有较强的竞争力。 二、方案立项必要性分析 2.1 国内外相关发展状况及方案需求分析 1、国内外相关技术的研究、发展现状 （1 ）国外情况 1997 年，微射流水波导激光技术在瑞士 Synova 公司实 现，其用一束低压(50-500bar)，经过蒸馏或过滤过的水射 流用来引导双频 ND:YAG 产生的激光束，类似于传统的玻璃 光纤的方法，利用水和空气的接触面全反射进行激光束的引 导。1998 年，瑞士 Synova 公司实现了成熟的激光切割和晶 圆切割设备，推出了LCS 系列的激光切割系统和LDS 系列的 激光划片系统。LCS-300 为多用途机种，其有效工作范围为 300mm ×300mm，适合多种材料的切割、钻孔、开槽、打标等 精细加工，加工精度为±3μm，重复精度为±1 μm，水压为 20 ～500bars。 微射流水波导激光技术在加工领域中的优越性引起了 国内外学者对水导引激光加工相关关键技术的研究兴趣。瑞 士学者Frank. Wagner，Akos Spiegel 等对金属铜的水导引 激光加工进行了研究，得到了很好的加工效果。J.A.Porter 等利用水导激光加工技术对金属薄板进行切割。其研究结果 表明，综合考虑激光参数、喷嘴孔径以及压力条件后，其上 限切割距离为 50mm。Frank.R.Wagner 等还对导光水束的稳 定性进行研究，对影响导光水束稳定的水压、喷嘴孔径、喷 嘴表面光洁度等因素进行了分析。Philippe Couty 等进行 了激光在导光水束中能量分布的研究。T．Nilsson 等人以及 爱沙尼亚的Arvi Kruusing 都有针对水对激光传输的影响进 行了研究。研究表明，波长处于绿光范围内的激光被水束吸 收的能量最小。C.F.Li 等人对水导引激光加工硅材料进行了 数学建模研究，依据该数学模型得到的仿真结果可以对加工 参数的选择进行指导。该数学模型采用一种新方法考虑激 光、水束和工件的相互作用及热加工过程。通过对比实际划 槽加工和仿真结果，发现两者基本吻合，证实了该模型的合 理性。 目前，国外对水导引激光技术的研究中瑞士的 Synova 公司具有明显优势，其生产的水导引激光加工设备非常昂 贵，在国外电子工业的硅