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诺派《激光小学堂》(1):超快激光加工的“冷”和“热”
作者:npilasers001  来源:  时间:2018-12-07  点击:425

超快激光微加工目前在激光加工领域已经变得越来越流行,大家经常能听到加工、热影响区(Heat Affected Zone热积累(Heat Acculturation等词汇,但是对于的具体含义,还是容易混淆不清。诺派《激光小学堂》将汇总大家常见的一些问题,通过几期专题对超快激光微加工的概念进行阐释厘清,力争帮助大家快速地熟悉和了解超快激光加工应用。本期主要介绍超快激光微加工过程中所涉及到的的概念。(由于激光与物质的相互作用机理复杂,并且新的研究认知也在不断发展更新,限于小编水平有限,如不当或错误之处,望批评指正。)

超快激光“冷”加工的基本概念

工业上通常将脉冲宽度小于15ps(皮秒,1ps等于10-12s),峰值功率大于兆瓦级别的激光定义为工业级高功率超快激光器。所谓超快激光“冷”加工,是指激光的脉冲宽度足够短的时候,它会在热量扩散到加工微区周围之前就消失了,材料会跨越“热”熔融过程,直接由固态汽化消除,避免了重铸,微裂纹,颗粒飞溅等作用过程,不仅提高了材料加工的精度,而且保证了本征材料的物理及化学性能不受影响。

1从理论上模拟了三种不同类型激光器与物质的相互作用效果对比,充满红色的箭头表示连续激光,以红白相间的箭头表示脉冲激光,红色宽度代表脉宽,宽度越窄脉宽越短。从图中可以看出,连续激光是持续不断地与物质发生作用,在聚焦点周围会形成比较大的熔融态(黑色区域),这是典型的连续激光与物质相互作用的现象。而脉冲激光则完全不同,它们是重复、间歇式地将能量释放到物质上,并且脉冲宽度越短,热影响区域就越小,加工精度就越高。纳秒激光相比连续激光,热影响区明显减少,而超快脉冲加工过程则几乎完全避免了热熔区及冲击波等的影响。


1. 连续、纳秒及超快激光与材料作用效果对比示意图

“冷”和“热”的界限

本节将主要解释超快激光微加工的“冷”和“热”与脉冲宽度之间的对应关系以及它们的超快/热动力学过程。图2列举了在不同时间尺度上,超快激光与透明材料相互作用过程中发生的物理现象[1-2]研究表明,超快激光能够在极短的时间内 (飞秒量级)将能量注入材料中,当脉冲能量达到微焦级别时,这一高度集中的能量可以在瞬间剥离原子的核外电子,使焦点附近具有超高电场强度,即使材料在激光本征波长不存在吸收,也会因激光诱导的多光子吸收、多光子电离等非线性作用,而实现瞬间高度选择性加工。材料吸收激光能量并转化为热能释放的特征时间通常是>1ps,载流子/电子通过电子-声子散射作用把吸收的能量传递给晶格。如果单一脉冲持续的作用时间内电子来不及将吸收的能量传递给晶格, 脉冲就结束,那么尽管电子不断被加热,而晶格却维持在“冷却”状态。


2. 超快激光与透明材料作用过程中在不同时间尺度上伴随的物理现象

 

在图2的第二个热化过程中,电子或载流子-声子之间发生相互散射,将把吸收的能量传递给晶格,整个过程通常发生在10ps左右。如果超快脉冲持续时间小于或近似于材料中受激电子或载流子散射的能量释放时间,将可以尽量减小或避免这个过程引起的热扩散,压制了“热”加工过程的发生,整个过程表现为非线性作用和热扩散抑制。而在ns10-9s)的时间尺度内,高温焦点区域产生的冲击波向外传播,并且由于温度梯度导致热扩散,温度通常会在10-6 s级的时间内迅速下降至常温,也就是热扩散及形变的过程,这也就是为什么皮秒激光器的加工效果要优于纳秒激光器。

确切地讲,对于皮秒激光微加工而言,材料有足够的时间把能量传递到晶格,尽管热效应很小被压制,但是还是存在的。目前工业微纳加工市场上大多数还是使用皮秒激光器,这里面有多种原因。从技术上来讲,飞秒激光器的系统结构会复杂一些,稳定可靠性降低,而且一般来讲,脉冲能量会低一些。影响超快激光加工的精度不仅仅取决于脉冲宽度,其他激光参数如平均功率、单脉冲能量、脉冲宽度、波长、谱宽等也都需要综合考虑。从成本上来讲,如果计划使用飞秒激光器获得更高的加工精度,除了激光器本身之外,配套的加工系统也都需要相应提升,导致整个系统成本大幅增加。当然,还有一个重要原因,在目前工业市场上的大多数精细加工应用中(如全面屏及蓝宝石切割等),皮秒激光器相比纳秒激光器在加工精度和质量上已经有比较大的提升,能够完全满足现有的应用要求。

 

诺派激光

诺派激光在深耕超快光源技术,助推激光制造升级的理念牵引下,经过几年的发展,自主研发的全波段超短脉冲生成技术已处于国际领先水平,并拥有20余项专利保护,可提供覆盖可见光-近红外-中红外的超快激光器。诺派激光的多款产品已获得ISO9000质量体系认证以及欧盟CE安全资质认证,并获得国家高新技术企业资质。

 

 

 

参考文献

[1] R. R. Gattass, E. Mazur, "Femtosecond laser micromachining in transparent materials," Nat. Photonics 2, 219-225 (2008).

[2] M. Sakakura, M. Terazima, Y. Shimotsuma, K. Miura, and K. Hirao, "Heating and rapid cooling of bulk glass after photoexcitation by a focused femtosecond laser pulse," Opt. Express. 15, 16800-16807 (2007). 

 

 

关于诺派

南京诺派激光技术有限公司是一家专业从事高端脉冲光纤激光器及激光器应用系统研发、生产、销售以及技术服务的高科技企业。诺派激光以改写高端光纤激光器在科研和工业领域应用格局为使命。

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