任何加工工藝的目標(biāo)都在于以最經(jīng)濟(jì)的方式、在最短時(shí)間內(nèi)達(dá)到所希望的高品質(zhì)效果。與切、銑、鉆等常規(guī)機(jī)械加工技術(shù)相比，激光加工可以實(shí)現(xiàn)局部、高質(zhì)量的精準(zhǔn)加工。正確選擇激光器，可以實(shí)現(xiàn)高收益、高產(chǎn)出和經(jīng)濟(jì)的加工過(guò)程。
移動(dòng)設(shè)備制造是大量使用激光器的一個(gè)重要行業(yè)。生產(chǎn)更小型、更快速、更輕質(zhì)并且成本更低的移動(dòng)設(shè)備，需要能滿足這一挑戰(zhàn)的激光微加工工藝。其它行業(yè)，如醫(yī)療設(shè)備制造、清潔能源、汽車和航空航天等產(chǎn)業(yè)，也不同程度地采用了激光加工技術(shù)。
盡管有好幾個(gè)激光參數(shù)都會(huì)影響加工效果，脈沖寬度的選擇則是對(duì)精度、生產(chǎn)能力、質(zhì)量和工藝經(jīng)濟(jì)性影響最大的因素之一。脈沖寬度在納秒至飛秒范圍內(nèi)的脈沖激光器，通常被用于各種材料的精密微加工。本文描述了對(duì)常用于微加工領(lǐng)域的納秒、皮秒和飛秒激光器，如何在生產(chǎn)能力、質(zhì)量和成本之間進(jìn)行權(quán)衡。
納秒級(jí)脈沖寬度
已建立的認(rèn)知是，對(duì)于相同的平均功率，納秒激光器可帶來(lái)較高的材料去除速率，因此，與皮秒、飛秒激光器相比，其生產(chǎn)能力更高，這是由于大部分材料的去除是通過(guò)熔化工藝實(shí)現(xiàn)的。激光脈沖將材料從室溫加熱到其熔化溫度，并最終通過(guò)蒸發(fā)和逐出熔料而被去除。
然而，由于被去除的熔化材料常常會(huì)附著在被加工部位的邊緣并重新固化，因此使加工精度和質(zhì)量受到不利影響。保留在材料中的殘余熱量還會(huì)在被加工部位產(chǎn)生所謂的熱影響區(qū)（HAZ）。同時(shí)，一些被熔融物可能會(huì)飛濺到被加工部位，從而造成加工質(zhì)量不良。
然而，如果增加一些成本，采用綠光、紫外（UV）波長(zhǎng)或波長(zhǎng)更短的納秒脈沖寬度激光器，便可緩解上述副作用。特別是UV納秒激光器可顯著降低熱影響區(qū)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)材料的吸收深度均較淺。UV納秒激光器還具有加工較小形狀時(shí)所需的焦斑大小更緊實(shí)、焦距更深的優(yōu)勢(shì)。
圖1：在銅—聚酰亞胺—銅FPCB 膜上鉆出的一個(gè)微孔，孔徑80μm，成孔邊緣的毛刺平均高度僅約2μm。
UV納秒激光器在功能和成本方面的最新發(fā)展，加速了其在精密微加工領(lǐng)域的應(yīng)用。例如，美國(guó)理波（Newport）旗下公司Spectra-Physics 推出的兩款UV 激光器Talon和Explorer引領(lǐng)UV激光器行業(yè)實(shí)現(xiàn)了一次大幅度的性價(jià)比提升，通過(guò)多年努力帶來(lái)了3倍以上的單位瓦特成本改善。因而，這些激光器已被廣泛使用于各類應(yīng)用中，如UV打標(biāo)、薄膜圖案裝飾、印刷電路板切割，并通過(guò)鉆削在高產(chǎn)量的條件下實(shí)現(xiàn)精細(xì)的外形。圖1顯示了采用Talon UV激光器，在銅—聚酰亞胺—銅柔性印刷電路板（FPCB）膜上鉆出的一個(gè)微孔，其孔徑80μm，成孔邊緣的毛刺極細(xì)微，平均高度僅約2μm。
另一方面，Spectra-Physics的Quasar紫外混合光纖激光器可提供大于 60W的高重復(fù)率、靈活、且可編程的UV短納秒脈沖。這種功能組合大大拓寬了UV納秒激光器的可用參數(shù)空間，并能實(shí)現(xiàn)諸多材料的高質(zhì)量、高產(chǎn)能加工，包括半導(dǎo)體、陶瓷、玻璃、藍(lán)寶石、電池箔等用于制造移動(dòng)設(shè)備的一系列材料。未來(lái)，UV納秒激光器的單位成本曲線將進(jìn)一步拉低，同時(shí)進(jìn)一步增強(qiáng)的能力可以繼續(xù)擴(kuò)展其在大規(guī)模生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用。
納秒與皮秒加工對(duì)比
納秒與皮秒激光器的早期研究顯示，當(dāng)使用皮秒激光脈沖代替納秒脈沖進(jìn)行加工時(shí)，不銹鋼的熔化情況會(huì)減少。多項(xiàng)其它研究已表明，當(dāng)采用皮秒激光器進(jìn)行微加工時(shí)，加工質(zhì)量—被定義為激光加工部位邊緣的熱影響區(qū)廣度、碎片形成、熔融物積聚以及飛濺等方面均有提升。同時(shí)，按單位面積能量（mJ / cm2）測(cè)得的最小能量密度來(lái)定義，皮秒激光脈沖的材料去除閾值比納秒激光脈沖要低得多。
由于較短的皮秒脈沖寬度有助于以單次脈沖較低能量去除材料，因此可以實(shí)現(xiàn)高峰值功率。但是，從實(shí)用角度來(lái)看，大多數(shù)切割或鉆孔工藝是在遠(yuǎn)高于材料去除閾值的能量密度下進(jìn)行的，而平均功率相同的納秒激光器能夠比皮秒激光器提供更高的生產(chǎn)量。因此如果對(duì)加工來(lái)說(shuō)，質(zhì)量更為重要，那么就應(yīng)當(dāng)使用皮秒激光器而非納秒激光器。
圖2：分別采用UV納秒激光器（a）和綠色皮秒激光器（b）在Gorilla 玻璃上劃線。
一旦做出選擇，則應(yīng)采用適當(dāng)功率的皮秒激光器以滿足生產(chǎn)能力的要求。圖2顯示了在類似工藝條件下（平均功率30W、脈沖重復(fù)頻率1 MHz），分別采用UV納秒或綠色皮秒激光器，在0.7毫米厚的Gorilla玻璃（一款環(huán)保、輕薄玻璃，被用作高端顯示設(shè)備的保護(hù)層）上刻紋的結(jié)果。采用UV納秒激光器劃線深度可達(dá)約70μm，而采用綠色皮秒激光器則僅可達(dá)約40μm。但是，采用UV納秒激光器加工的玻璃邊緣豁口約 18μm，采用綠色皮秒激光器則僅約9μm。
皮秒激光器與納秒激光器相比較，除了質(zhì)量上的優(yōu)勢(shì)及生產(chǎn)能力上的劣勢(shì)，還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性，這是由于皮秒激光器的前期投入成本和經(jīng)營(yíng)成本通常都更昂貴。Spectra-Physics公司的IceFyre工業(yè)級(jí)皮秒激光器是集高功率、超短脈沖、前所未有的通用性、重復(fù)頻率可調(diào)、可編程靈活調(diào)節(jié)脈寬、脈沖可按需觸發(fā)等諸多功能于一身，并且具有很好的成本優(yōu)勢(shì)。在1064nm波長(zhǎng)處可提供大于50W的平均功率和大于200μJ的脈沖能量，是精密加工藍(lán)寶石、玻璃、陶瓷、塑料及其他材料的理想光源。同時(shí)，它也使得超快激光器真正實(shí)現(xiàn)規(guī)?；墓I(yè)應(yīng)用。
皮秒與飛秒加工對(duì)比
談到更短的脈沖寬度，在用于微加工的皮秒與飛秒激光脈沖寬度之間的選擇，取決于材質(zhì)、質(zhì)量要求以及經(jīng)濟(jì)方面的考量。飛秒激光器可以提供優(yōu)于皮秒激光器的加工質(zhì)量，但其更高的激光器成本也必須加以考慮。皮秒和飛秒激光器均能提供高峰值功率，從而降低材料去除閾值能量密度。對(duì)于許多材料而言，飛秒激光脈沖的去除閾值能量密度低于皮秒脈沖。但是，在大多數(shù)能量密度水平高于閾值的實(shí)際加工過(guò)程中，材料去除率是與材質(zhì)息息相關(guān)的。
一項(xiàng)研究表明，由于脈沖寬度從10ps 減小到900fs，不銹鋼的材料去除率上升，而氮化鋁的去除率則隨著脈沖寬度的減小而降低。在加工熱敏性聚合物，如加工制造可降解支架的左旋聚乳酸（PLLA）、或用于有機(jī)LED顯示器（OLED）薄膜時(shí)，飛秒激光脈沖必須注意避免熔化損傷和熱損傷。
圖3：分別采用皮秒激光器（a）和飛秒激光器（b）切割左旋聚乳酸（PLLA）邊緣。
圖3a顯示的是采用一款10ps脈沖寬度的皮秒激光器加工PLLA的邊緣熔化情況，圖3b顯示了一個(gè)采用400fs脈沖寬度的Spectra-Physics激光器加工出的整齊邊緣。所以，對(duì)于某些特定類型的材料，因?yàn)樘匦缘年P(guān)系，以及皮秒激光器無(wú)法達(dá)到其加工質(zhì)量要求，必須采用飛秒激光器。與納秒、皮秒激光器一樣，飛秒激光器的性價(jià)比也在逐步提升。
總結(jié)
雖然任何單一的激光脈沖寬度都無(wú)法滿足所有材料加工的要求，脈沖寬度的選擇對(duì)于加工質(zhì)量、生產(chǎn)能力和成本研究具有顯著的影響?；诖?，應(yīng)根據(jù)材質(zhì)、期望質(zhì)量、生產(chǎn)能力和成本等要素來(lái)選擇適合的激光器。一般來(lái)說(shuō)，納秒激光器可提供一個(gè)比皮秒和飛秒激光器更為經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)能力高、質(zhì)量水平合理的解決方案，尤其是UV納秒激光器能在諸多應(yīng)用中提供一個(gè)高質(zhì)量、高生產(chǎn)能力的“制勝點(diǎn)”。
然而，對(duì)于薄金屬、透明材料和熱敏材料，皮秒和飛秒激光器則可提供加工質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)，在要求最佳加工質(zhì)量的情況下，皮秒或飛秒激光器將是微加工的理想之選。新型大功率工業(yè)級(jí)皮秒和飛秒激光器，能提供更高的生產(chǎn)能力，以及更高的質(zhì)量和更低的單位成本。
展望未來(lái)，將會(huì)看到納秒、皮秒和飛秒激光器性價(jià)比的持續(xù)進(jìn)步。這些進(jìn)步，將推動(dòng)采用各種脈沖寬度的激光器在精密制造業(yè)的飛速應(yīng)用。每種激光器憑借其在加工質(zhì)量、生產(chǎn)能力和經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢(shì)，將分別在特定材料類型和應(yīng)用中大顯身手。
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