超快光纤激光器应用于材料微加工简述

时间:2014-10-14 14:05来源: Industrial Laser Solution作者:黑咖啡 点击:
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摘要:过去十年中,超快光纤激光器技术在总功率、脉冲和光束质量、易用性和稳健性等方面取得了长足的进步。因此,超快光纤激光器开始应用于多个制造行业

关键字:激光,光纤激光器,微加工


  过去十年中,超快光纤激光器技术在总功率、脉冲和光束质量、易用性和稳健性等方面取得了长足的进步。因此,超快光纤激光器开始应用于多个制造行业中对材料进行高效、高精度的加工。本文章总结了最近用高脉冲重复频率的超快光纤激光器进行材料微加工的几项研究进展。特别有趣的是,在一些其他的材料研究中,几种激光加工的材料被发现了新的特性和功能,这导致超快光纤激光器不仅被当作一种强大的材料成型工具,同时也有可能成为一种有效的材料制备工具。

  玻璃和塑料焊接

  对于大部分精密的材料加工应用来说,在工件中产生的多余热量是不需要的。然而,对于透明材料的微焊来说,精密控制的热量积蓄对于融化材料并形成焊缝非常关键。聚焦的超短脉冲的高强度会引起透明材料中的非线性吸收,因此只会在两种材料的接触面上激光焦点周围很小的区域内产生大量的热量。每一个激光脉冲都会产生很少的热量,如果焦点区域在下一个脉冲来之前就冷却下来,那么这个热量也就可忽略不计。如果脉冲之间的空间重叠以及脉冲重复频率足够高(数百kHz及以上),热量将迅速地在这一区域积累并引起材料熔化。可以通过改变重复频率及光束扫描速度来精确地控制熔化的量。这一技术已经在玻璃和塑料焊接上得到了应用。图1展示了两块玻璃之间焊接面的截面。这种无需密封的高速、精确的焊接有许多好处,例如在制造太阳能电池板时面板边缘需要密封,目前要用专门设计的密封胶和热熔系统来完成。

  “脉冲串模式”脉冲激光沉积

  脉冲激光沉积制造薄膜技术已经广泛应用于新材料开发的基础研究中。大功率纳秒脉冲激光烧蚀往往会在等离子体羽辉(羽毛状的发光团)中形成大的熔滴,这会影响薄膜质量。有许多机械和电子的方法可以控制烧蚀的羽辉来补救熔滴的问题。高重复频率的超快光纤激光器提供了一种替代解决方案。特别是将激光脉冲集合在一起形成一个脉冲串(bursts),每个脉冲串包含数个单独的脉冲,这可以实现更为精确的热量控制,让靶标物直接气化而不会形成大的熔滴。

  光纤激光体系可以直接从激光光源快速地输出脉冲串,称为脉冲串模式。例如,如图2(a)所示,在进入放大阶段之前,可以用声光调制器从50MHz的振荡器中筛选种子脉冲,最后输出的是由多级脉冲组成的脉冲串,而且相邻脉冲的间隔为20纳秒。20纳秒的脉冲间隔非常短,可以引起多重累积效应,包括靶标物的热量以及烧蚀羽辉和紧随其后的激光脉冲间的热量,最终这将可以优化薄膜质量。图2(b)展示了用这种方法沉积的TiO2薄膜。如图中的透射电子显微镜图(TEM)所示,薄膜的质量非常高,薄膜表面达到了原子级别的平滑程度,薄膜和基质间的界面也很平滑。用光学显微镜观察100毫米的区域也没有发现大的熔滴。
【光粒网综合报道】( 责任编辑:yeyan )
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