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超短脉冲紫外绿光激光器在表面加工的应用

超短脉冲紫外绿光激光器在表面加工的应用

发布时间:
2021/06/22
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超短脉冲紫外绿光激光器在表面加工的应用

超短脉冲(USP)激光器向工件传递光子,如果传递得当,能够在加工过程中产生很少或没有热量。这是在这种脉冲长度范围内工作的主要好处。在过去的20年里,USP激光器作为一种工业加工工具已经起飞,重点是切割和钻孔应用,特别是那些用长脉冲长度的激光器无法实现所需的最终产品,或者需要大量昂贵的激光后处理的应用。目前,一些不同的表面应用领域正在被研究,甚至在生产环境中使用。
 
一个重要的激光应用领域是增材制造。USP激光器一般不被认为是用于这一过程的激光器,因为它们的优点是没有热量,但它们正被研究用于直接激光辅助沉积,以生产精确或敏感的部件,它们也被用于激光辅助制造部件的精密后处理。例如,使用双光子聚合技术可以用丙烯酸树脂打印3D结构。使用市面上的软件可以实现非常快的写入速度。图1显示了在200毫米/秒的写入速度下,以1.5微米的层高和2微米的分辨率制成的部件。
 
 
然而,打标仍然是大多数激光器的销售对象。这些激光器和系统的销售价格往往很低,因此在打标应用中使用更昂贵的USP激光器,只能在特殊情况下进行。医疗设备的不锈钢打标就是这样的一个领域。碰巧的是,USP激光打标的部件比其他任何方法打标的部件都要好,它甚至可以用来打出不同颜色的标记,具体取决于激光条件。图2显示了一个高度放大的图像,显示了不锈钢表面上白色和黑色飞秒标记之间的差异。这个标记是使用一种叫做BiBurst的功能产生的,它将兆赫兹和千兆赫兹的爆发结合在一起进行工作。
 
 
USP的大部分激光活动仍然是在材料去除领域。例如,在模具生产中使用的滚筒表面的三维特征方面,正在创造一个巨大的市场领域。另一个潜在的大市场领域是创造具有某些亲水(或疏水)特性的表面。这种特征的深度通常为几微米到几百微米,通过直接激光烧蚀来创造。创建这些特征的过程并不复杂,即使有简单的光学设置。然而,如何扩大规模,以经济和精确的方式雕刻长达数英尺、宽达数英尺的辊子,是将USP激光器纳入生产环境的关键。
 
玻璃很难用长脉冲激光器进行激光加工,但它们可以用USP激光器直接烧蚀,或者对某些材料进行曝光,然后进行化学蚀刻。图3显示了一张飞秒激光烧蚀的玻璃幻灯片的高分辨率显微照片。
 
 
USP激光器在表面的其他可能用途是清洁或去污和抛光。对于小的表面结构,直接使用激光烧蚀可以达到的最佳表面粗糙度是Sa = 0.5 µm。这对许多应用来说是不够的,因此,在激光烧蚀后必须进行抛光处理。如果同一台USP激光器和光学装置可用于这两个步骤,就会有好处,而且已经表明,在金属上的工艺涉及到产生一个薄的熔融层,然后将材料更均匀地分布在表面。结果显示Ra<0.3 µm,而USP对一些聚合物的抛光结果显示Ra<100 nm。
 
为了扩大该工艺的规模,需要使用更高的每脉冲能量或脉冲重复率。提高脉冲能量是有限制的,因为太高的能量会使工艺经常出现热负荷,从而否定了USP激光器的主要好处。光束分裂可以解决这个问题;但是,由于USP激光器通常能够达到非常高的重复率(1-10 MHz或更高),如果光束不能快速移动,以避免停留时间过长而对材料产生热量,那么可用的重复率就会受到限制。另外,为了充分利用现有的能力,脉冲必须被触发,以便均匀地传递,包括在加速过程中,如果使用USP激光器,这一点尤其重要。因此,经济地覆盖大面积的目标一直难以实现。现在,技术的进步使高重复率的USP光能够非常快速地传递到大型功能表面。
 
全世界正在进行许多协调工作(激光器/光学器件/系统/应用),以促进USP激光器更大规模的工业应用。例如,自然表面展示了特殊的纳米和微米级特征如何使表面具有超疏水(如荷叶拒水)或抗菌性。基于激光的纹理技术是一种能够模仿自然表面并在不使用添加剂的情况下使其功能化的技术。据说欧盟资助的项目在通过基于千瓦级USP的系统实现高产量。启用这项技术将确保USP激光器在具有新功能的家用电器和其他快速发展的消费产品的竞争性制造和商业化方面发挥作用。
 
 
应用纳米和微米大小的特征是可以实现的,这要归功于一种称为直接激光干涉图案的多波束加工技术。这项技术能够在干涉图案的强度最大值位置发生的局部烧蚀的基础上生产重复的表面结构。项目中,干涉图案是由两束激光与一个多边形扫描系统的重叠产生的。
 
 
此外,通过在线监测系统进行过程控制,控制激光和基底之间的相互作用,这些技术还可以刺激自组织过程,在微米和亚微米范围内以均匀的方式产生激光诱导的周期性表面结构。具有不同特征尺寸的结构的组合对于达到增强的表面性能是有意义的。这种方法将导致应用许多其他独特的表面特性。项目得到了欧盟地平线2020研究和创新计划的资助,资助协议号为825132。它是光子学公私伙伴关系的一项倡议。
 
在过去几年里,激光领域发展得非常快,激光器制造商都在努力使他们的激光器更可靠、成本更低、更容易与其他部件集成,以便大规模地实现最终产品,而这是在工业环境中全面实施USP激光器所需要的。看来事情正朝着正确的方向发展,并且进展顺利。