皮秒激光器的原理及微機械加工應用

?超短激光脈沖的激光切除的優點在很多應用中得到了證實，直到最近也沒有在工廠的地板上發現這些應用的工業副產物。在工業應用中，除去質量因素以外，可重復生產性和每個零件的成本也是很重要的標準。?
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??? 激光系統的可靠性當然和所使用的激光技術直接聯系在一起。每個零部件的成本基本上和超短激光脈沖的重復頻率直接聯系在一起。高附加值，高重復率的生產力，可靠的技術等所有這些要求僅僅在最近通過二極管泵浦的皮秒激光器才完成。

皮秒激光器在大規模生產中的第一次應用在The Photonics West 2005上被報道。20ps脈沖持續時間的1μJ的脈沖被聚焦到薄的鋼箔上，在脈沖光束的方向上一系列同心環被去除。不同的同心圓環形成一個園盤，去除材料的不同圓盤形成一個錐形孔，這個孔在專業的高質量的打印頭中作為注入墨水的噴嘴。在過去幾年中，絕大多數超快激光器制造商集中精力在飛秒激光器的開發上。這些激光器需要一種復雜的CPA技術來保持峰值功率密度在某一個損傷閾值下的放大階躍內。用這種方式，可以產生mJ水平的脈沖能量，但是重復率被限制在幾KHZ。比較而言幾百μJ的高脈沖能量對厚材料的鉆孔或切割是有利的。柴油機的注入噴嘴的鉆孔就是一個例子，這里1mm厚的鋼板材料不得不被精密的打孔以致不需要進一步的清潔處理。

??? LUMERA LASER 為了這個應用開發了皮秒激光器STACCATO。因為它的脈沖時間在皮秒范圍內，STACCATO激光系統不需要CPA技術。激光工作物質Nd:YVO4允許用激光二極管直接泵浦，使其具有高的脈沖能量和高的重復頻率。STACCATO激光系統在10ps的脈沖持續時間內在1064nm時輸出10W的平均功率，它的激光束接近衍射極限，能被很理想的聚焦。?

??? 與飛秒激光器相比，達到100KHZ的非常高的重復頻率保證了高的生產率。在紫外光譜區域許多材料有比較高的線形吸收系數，對材料的去除來說這是非常有利的。從STACCATO發出的紅外激光輻射因為其非常高的峰值功率密度能夠被轉化成更短的激光波長532nm，355nm和266nm。　當由STACCATO激光器產生的100μJ的光脈沖打到材料上時冷切除被觸發，但是快速擴散的等離子體仍然可能導致材料的熱效應。因此對一個好的結果而言，不但超短激光脈沖的產生是重要的而且適當的工藝技術也是重要的。據證明像開孔這樣的工藝對微機械加工結果而言不但適當的加工策略是重要的，而且偏振控制，適當的使用輔助氣體和真空噴嘴也很重要。圖2 展示了在鋼鐵和陶瓷上的高質量的小孔。熱引起的裂紋，液化點可以通過使用適當的加工策略避免。圖2 左右分別為在鋼鐵和陶瓷上用皮秒激光器加工的孔在材料去除時伴隨著高脈沖能量的強等離子體的形成引起了一個問題，即市場上能獲得的超快激光器是否為精密的表面加工而設計得理想。下面的考慮涉及到超快激光器對靠近表面的材料的精密去除的理想的參數。　在許多實驗中一般的經驗表明，如果在合理的的去除速率條件下最好的精度可以通過功率密度選擇在5-10倍的閾值超短激光脈沖獲得。對金屬而言，這意味著10PS的脈沖的能量密度應該為1J/cm2。如果微機械加工的激光束被聚焦成典型的直徑10μm的光斑，那么最佳的脈沖能量應該為1μJ。在這種情況下每個激光脈沖熔化的材料厚度的典型值為10-100nm，等離子的形成是最小的，質量是很好的，可以加工出來0.1μm精度的微結構。

??? STACCATO皮秒激光器的100個脈沖處理后，材料按照定義的方式被去除，以致激光束的輪廓被映射到材料上。有希望的實際應用是為機械，化學，液體設計的金屬部件的表面加工。皮秒激光器激光加工可以進行幾乎所有高生產率的結構加工。 結構是通過STACCATO激光器在50KHZ，將532nm的光輻射聚焦到直徑為25μm的一個點上加工出來的。渦輪葉片表面的適當設計的結構能非常顯著地減小摩檫力，燃料消耗和環境損壞。
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??? 作為上述內容的總結，表面加工激光器應該有皮秒級的脈沖持續時間，幾μJ的中等脈沖能量和非常高的重復率。這樣的激光器最近由LUMERA 投入市場，這款激光器名為RAPID。因為相對簡單的設計，使RAPID這款激光器具有尺寸小的，結構緊湊的特點，它由皮秒激光振蕩器，放大器和非常快的Pockels核組成，以致它能提供高達500KHZ的重復率。超快激光器的微機械加工要求各種加工參數。RAPID的重復率可以從外部進行控制。單脈沖工作，突發模式或任何外部定義的脈沖序列都可以通過TTL脈沖來觸發。這致使各種加工策略成為可能，并能提供光束路徑的控制。光束束斑質量非常好，而且很穩定，在各種重復率的不同環境下幾乎沒有任何影響，這些特點是非常顯著的。RAPID的激光束幾乎接近衍射極限因此表現出良好的可聚焦性。它的脈沖持續時間大約為10ps，脈沖能量即使在高的重復率和轉換成532nm，355nm，266nm的條件下也是足夠超過去除金屬的閾值能量的。脈沖與脈沖的能量變化小于1%rms。?
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??? RAPID激光器的技術設計中，其輸出激光參數、可控性能等指標表明該激光器是金屬表面加工的理想工具，如金屬表面打孔，存儲器的修補，以及在半導體工業中的打標等。