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如何正确选择激光器应用及未来发展

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-04-17  来源:互联网  浏览次数:80

20多年前,生产中使用的唯一真正的紫外(UV)激光器准分子激光器,其典型的脉冲宽度约20ns,在当时也被称为超快脉冲(UFP)激光器。事实上,Lumonics公司(位于美国马萨诸塞州的贝德福德)拥有一款2ns的激光器,而当时有一些应用,在选择了低纳秒级的脉冲宽度后,其工艺品质出现了明显的差异。

在可见光谱的另一边,几乎全部使用Nd:YAG激光器或其衍生产品来处理红外(IR)。当时的红外光纤激光器(和碟片激光器)不具备任何的工业意义,即便今天它们是行业的主力。针对光谱可见部分的调研工作在那会儿可谓是刚刚开始。

在过去10年内,超快脉冲技术——即脉冲宽度<1ns的激光器已成为生产车间的标准。因此,当为特定任务选择正确的紫外(UV)激光器时,还有一些选择方案可供参考。此外,当购买一款在UV 波长、可见波长和红外波长范围操作的超快脉冲激光器时,通常会一并提供解决方案。在典型的制造环境中,通常仅使用一种波长,因为在该环境中,需要加工处理的部件和材料的数量非常少。对于研发或类似工作车间的环境而言,往往需要用到所有三种波长。在我们的实验室中,我们有纳秒、皮秒和飞秒激光器,所有这些激光器都以红外、可见和紫外波长操作,以便客户可以对多种可能性进行调研,从而为其手头的加工任务选择正确的配置。

图1是一张显示脉冲持续时间(从飞秒到连续波[CW])和波长(从红外到紫外) 的曲线图。具有接近原点(左下)的输出特性的激光器是实现最高品质特性的加工任务的理想选择,因为它们同时具有短波长和短脉冲宽度。 右上方的激光器具有长脉冲宽度和红外波长,因而这些激光器通常不适合于微加工应用,尽管它们可能对诸如焊接、接合、表面处理和增材制造等其它领域会非常有用。值得注意的是,没有提及具有如左上所示的输出特性的激光器的应用— 使用长脉冲UV 激光对于大多数应用会有些适得其反。因此,本文主要重点讨论包在蓝色阴影区域内的激光器。

图1:脉冲持续时间以及波长曲线

此外,尽管CO2激光器准分子激光器均有被提及,并且这两种激光器在材料处理中仍然具有很大价值,但是当前的讨论将集中于波长为2μm至约300nm的激光器。这也排除了四倍频激光器,但是这类激光器在皮秒和飞秒激光器得到商业化之前更为有用。并且基于可靠性问题,它们不被使用,除非绝对有必要(例如准分子激光器)。

表:红外、可见光及紫外激光器的特征

上表显示了本文所讨论的三种波长的一些特征。 简而言之,紫外光子的成本更高,并且其功率比红外光子更低,但是可以实现更小,更清洁的特征,并且材料去除更为精确,但要比使用红外光子更慢。 可见波长用于需要的应用领域,例如透明材料的背面处理或去除氧化铟锡(ITO),但鉴于眼睛安全问题,通常首先考虑其它的替代方案。

纳秒激光器

二极管泵浦固态(DPSS)激光器是在20世纪90年代末被首次引入工业环境的。 当时,第一台此类激光器仅具有几瓦的低输出功率,其波长为355nm。在二极管泵浦之前,使用灯泵浦可获得激光,但是这类激光器是非常不可靠的。当时,几瓦的纳秒紫外光的成本超过10万美元。

随后,纳秒激光器的市场变得越来越成熟,而这些激光器现在也可以从许多不同的制造商(提供红外、可见和紫外波长)处购买到,10W紫外输出功率的纳秒激光器的价格低于5万美元。在大多数情况下,这些激光器的脉冲持续时间介于几十到几百纳秒的范围内。

皮秒激光器

皮秒激光器是一种脉宽为皮秒的激光器。具有皮秒级超短脉宽、重复频率可调、脉冲能量高等特点。皮秒激光器在2005年首次得到商业化引入,超快激光器领导者Lumera Laser公司(现已被美国相干公司收购)是当时主要的市场参与者。当然,见证许多其它参与者涌入这个市场并没有花费太长的时间——现在,无论是科研用激光器或是工业用激光器,都能提供多种选择。几乎所有的皮秒激光器的脉冲宽度都介于2ps到20ps之间。有一些激光器的脉冲宽度为几百皮秒,但这些激光器在大多数的应用中都是值得商榷的。事实上,该脉宽范围的很大一部分被称为“死亡谷”,因为材料的交互作用和性能相当差—— 当然和使用纳秒激光器一样糟,并且在许多情况下,质量甚至更差。所以当讨论皮秒激光器时,应当指的是脉冲宽度低于20ns(可能长达50ns,但不再超过)的激光器。

针对超快脉冲(UFP) 激光器效用的断言之一是存在与波长无关的吸收性。在更短的脉冲宽度范围,这一点可能是对的,但是在10ps 的脉冲宽度下,使用红外波长与紫外波长加工的部件的质量几乎总会产生差异。

图2:使用纳秒激光器和皮秒激光器加工的聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)。

例如,图2显示的是使用100mm平场聚焦透镜以及在每个不同样例中使用大致相同的输出功率加工的50μm 厚的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的特征。纳秒红外和紫外样品(c-d)的边缘处均显示有大量的碎片和炭化效果。皮秒激光器加工的样品(g-i)相较于纳秒样品都有显著改善,但在10ps 脉冲宽度下,三个波长之间仍然存在视觉差异。

因而,面临的问题总是:“对于手头的应用,怎么样的质量是足以应对的”?由于红外波长具有更多的可用功率并且其光子的成本小于UV 光子,所以该波长被用于大多数应用。然而,如果要求呈现最高质量和/或展现最小的特征尺寸时,UV波长则是非常有用的。通常,当更高的功率对目标质量具有价值时会使用皮秒激光器。

当这些激光器首次出现时,其成本超过30万美元。现在,中功率(20W)的红外激光器的成本约为13-15万美元,谐波和更高功率的激光器的成本超过20 万美元。德国EdgeWave公司也提供使用板条激光放大器的高功率激光器,但一般来说这类激光器通常被用于非常特殊的应用领域。

作为超快激光器市场的新入市者,IPG Photonics公司推出的一款15ns脉冲宽度的50W 激光器的售价约为6.5万美元。除了成本低之外,这些激光器从冷启动到预热只需要60秒的时间。

飞秒激光

就飞秒激光器来看,市场上能买到的产品的脉冲宽度约在10fs到900fs之间,但真正有用的脉冲宽度范围是介于200fs到500fs之间。在500fs以上,该飞秒激光器实际上更像是皮秒激光器。而在200fs以下,通常没有明显的质量改进,并且由于光的宽带特性,光学元件变得更难以管理。在这个有效的范围内,就大多数材料而言,许多在质量上没有呈现出显著的差异,因此这类激光器的大多数应用目前使用的还是基本波长。另外,诸如玻璃和一些聚合物等材料,即使在飞秒范围,使用UV 波长加工也能获得更好的边缘质量——而UV波长在需要最小的光斑尺寸时也同样有用。值得注意的是,较小光斑尺寸的其他优点之一是较小的切口,这意味着去除的材料更少、 因而产生的碎屑更少,以及最终获得的切口更光洁整齐。

与上述皮秒激光器一样,这些飞秒激光器的最初入门价格超过30 万美元。现在,大功率(20W)的专用红外激光器的成本约为20万至22.5万美元,而谐波式的激光器成本则再需要增加2万美元。

在高能量和高功率产品领域,类似Amphos(位于德国Herzogenrath)这样的公司生产具有几百瓦输出功率的飞秒激光器,但这些激光器通常不用于典型的微加工领域,并且其往往价格不菲。另外,位于立陶宛维尔纽斯的Light Conversion公司销售一种气冷型、功率极小、并且成本仅超过10 万美元(3W红外)的飞秒激光器。而位于法国Pessac的高科技激光公司AmplitudeSystèmes 提供100W功率,300μJ/脉冲地激光器;以及一款脉冲宽度小于500fs的全新的、低成本的10W 激光器。同时,类似光谱物理(Spectra-Physics)以及相干(Coherent)等行业巨头也提供极具竞争力的同类产品。

下一步是什么?

如今,我多年前期望得到的理想的激光器几乎已获得。虽然不太确定这一切究竟是如何一步一步演变和发展至此的。几年前,我可能会需要脉冲能量更高的激光器,但是在过去几年中,对于大多数应用而言,甚至不会用到这些功率或脉冲能量水平的产品。

当使用电流计时,一个良好的基准是皮秒和纳秒激光器需要至少50μJ 的脉冲能量,而脉冲宽度<500fs的飞秒激光器需要25μJ的脉冲能量。单位脉冲能量过多,或是太高的重复率都有可能损害目标品质。 Photonics Industries公司(位于美国纽约州的Ronkonkoma)正出售脉冲能量为700μJ 并且针对那些在实际应用中真正需要这一能量值的激光器。转而使用脉冲宽度约小于200fs 的激光器并不是一个理想的选择。因此,产品体型更小、价格更低廉似乎成为发展方向。鉴于此,利润率将进一步受到影响,但当这些激光器价格低于10万美元时,其销售量将会显著增加。

最后,为应用需求选择正确的激光器的简单方式是选择品质良好且性价比最高的产品。我评估一个应用并且假设可以使用红外光子纳秒激光器对其进行加工;如果不行,则再考虑使用可见光或紫外光子的激光器和/或采用短脉冲型激光器。这似乎是一个相当艰巨的任务,但包括激光制造商和激光承包生产商等在内的良好资源能够在这一过程中为您提供帮助。

 
关键词: 激光器
 
 
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