文/Ron Schaeffer
圖1:高分辨率聚合物沉積的一個例子。(圖片來源:LightFab/Fraunhofer ILT) 超短脈沖(USP)激光器向工件發(fā)射光子,如果傳輸?shù)卯,能夠(qū)崿F(xiàn)熱影響很小甚至是無熱的加工過程。這也是使用超短脈沖加工的一個主要好處。在過去的20年中,超短脈沖激光器作為一種工業(yè)加工工具開始快速發(fā)展,其主要用于切割和鉆孔應(yīng)用,特別是用于那些使用長脈沖激光無法勝任的領(lǐng)域,或是需要大量昂貴的激光后處理的應(yīng)用。目前,人們正在研究將超短脈沖激光器用于一些不同的表面應(yīng)用領(lǐng)域,甚至是用于生產(chǎn)環(huán)境中。 一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域是增材制造。通常,人們認為超短脈沖激光器并不適用于增材制造過程,因為它們的優(yōu)勢是加工過程中不產(chǎn)生熱量。但是它們正被研究用于直接激光輔助沉積,以生產(chǎn)精確或敏感的部件;它們也被用于對激光輔助沉積制造的零件進行精密后處理。例如,使用雙光子聚合技術(shù),可以用丙烯酸樹脂打印3D結(jié)構(gòu)。使用市面上的軟件,可以實現(xiàn)非常快的打印速度。圖1顯示了在200mm/s的打印速度下制成的零件,零件的層高為1.5µm,打印的分辨率為2µm。 打標仍然是大多數(shù)激光器的應(yīng)用市場。用于打標的激光器和系統(tǒng)的售價往往較低,因此在打標應(yīng)用中使用價格更昂貴的超短脈沖激光器,只能是在某些特殊應(yīng)用中,醫(yī)療設(shè)備的不銹鋼打標就是這樣一個特殊領(lǐng)域。超短脈沖激光的打標效果,比其他任何方法打標的效果都要好,它甚至可以用來打出不同顏色的標記,具體取決于激光條件。圖2顯示的是兩幅高度放大的圖像,圖中顯示了在不銹鋼表面上進行白色和黑色飛秒標記之間的差異。這個標記是使用一種叫做BiBurst的功能產(chǎn)生的,它在同一工作中結(jié)合了兆赫和千兆赫的脈沖串(burst)。
圖2:在不銹鋼表面上進行白色和黑色標記的表面輪廓。(圖片來源:Light Conversion公司) 超短脈沖激光器的大部分應(yīng)用,仍然是在材料去除領(lǐng)域。例如,在模具生產(chǎn)中使用的滾筒表面的三維特征創(chuàng)建,就是超短脈沖激光器的一個巨大的市場領(lǐng)域。 另一個潛在的巨大應(yīng)用市場是創(chuàng)造具有某些親水(或疏水)特性的表面。這種特征的加工深度通常為幾微米到幾百微米,通過直接激光燒蝕的方法來創(chuàng)建。創(chuàng)建這些特征的過程并不復(fù)雜。然而,如何擴大規(guī)模,以經(jīng)濟、精確地雕刻長達數(shù)英尺、寬達數(shù)英尺的材料,才是將超短脈沖激光器應(yīng)用到生產(chǎn)環(huán)境中的關(guān)鍵。 玻璃很難用較長的脈沖加工,但是它們可以用超短脈沖直接燒蝕,或者對某些材料進行曝光,然后再進行化學(xué)刻蝕。圖3顯示了一張飛秒激光燒蝕的玻璃片的高分辨率顯微圖。
圖3:使用飛秒激光刻制的玻璃片。(圖片來源:Elas公司) 超短脈沖激光器在表面加工方面的其他可能的應(yīng)用還有:清洗或去污和拋光。對于小的表面結(jié)構(gòu),直接使用激光燒蝕可以實現(xiàn)的最佳表面粗糙度是Sa=0.5µm。這樣的表面粗糙度顯然不能滿足很多應(yīng)用的要求,因此,在激光燒蝕后必須對其進行拋光處理。最好同一套超短脈沖激光系統(tǒng)能夠用于激光燒蝕和拋光這兩個步驟,其中后序在金屬上的拋光工藝,包括產(chǎn)生一個薄的熔融層,然后將材料更均勻地分布在表面。最終能實現(xiàn)Ra <0.3µm的表面粗糙度,在某些聚合物上的拋光能實現(xiàn)Ra<100nm的表面粗糙度。 為了擴大工藝規(guī)模,需要使用更高的單脈沖能量或脈沖重復(fù)頻率。在脈沖能量的提高方面是有限制的,因為太高的能量會使加工過程經(jīng)常出現(xiàn)熱負荷,從而否定了超短脈沖激光器在冷加工方面的優(yōu)勢。光束分束可以解決這個問題;但是,由于超短脈沖激光器通常能夠達到非常高的重復(fù)頻率(1~10MHz或更高),如果光束不能快速移動,以避免停留時間過長而對材料產(chǎn)生熱損傷,那么可用的重復(fù)頻率就會受到限制。另外,為了充分利用現(xiàn)有的能力,脈沖必須被觸發(fā),以便均勻地傳遞,包括在加速過程中,如果使用超短脈沖激光器,這一點尤其重要。因此,經(jīng)濟地覆蓋大面積的目標一直難以實現(xiàn),F(xiàn)在,技術(shù)的進步使高重復(fù)頻率的超短脈沖激光,能夠非?焖俚貍鬏?shù)酱笮凸δ鼙砻妗?nbsp; 全世界正在進行許多協(xié)同努力(激光器/光學(xué)器件/系統(tǒng)/應(yīng)用),以促進超短脈沖激光器能實現(xiàn)更大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。例如,自然表面展示了特殊的納米和微米級特征,是如何使表面具有超疏水性(如荷葉拒水)或抗菌性的;诩す獾募y理技術(shù),是一種能夠模仿自然表面、并在不使用添加物的情況下使其功能化的技術(shù)。據(jù)比利時Next Scan Technology公司的管理合伙人Lars Penning博士說,歐盟資助的LAMpAS項目,旨在通過基于千瓦級超短脈沖激光器的系統(tǒng)實現(xiàn)高產(chǎn)量。啟用這項技術(shù),將確保超短脈沖激光器在具有新功能的家用電器和其他快速發(fā)展的消費產(chǎn)品的競爭性制造和商業(yè)化方面,發(fā)揮重要作用。 LAMpAS系統(tǒng)將集成一個碟片皮秒激光器,其以兆赫茲級的重復(fù)頻率提供高達1.5kW的功率。基于激光的機器將能實現(xiàn)高分辨率(特征尺寸從200nm到200μm)和高吞吐量(高達1~5m2/min),以滿足功能性和商業(yè)化的需求。 該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)納米和微米大小的特征,這要歸功于一種稱為直接激光干涉圖案(DLIP)的多光束加工技術(shù)。這項技術(shù)能夠在干涉圖案的強度最大值位置發(fā)生的局部燒蝕的基礎(chǔ)上,生產(chǎn)重復(fù)的表面結(jié)構(gòu)。在LAMpAS項目中,干涉圖案是由兩束激光與一個多邊形掃描系統(tǒng)重疊產(chǎn)生的。圖4顯示了在鋁表面產(chǎn)生的柱狀結(jié)構(gòu)的一個例子。
圖4:使用DLIP處理過的具有柱狀幾何結(jié)構(gòu)的鋁表面。(圖片來源:德國德累斯頓工業(yè)大學(xué))。 此外,通過在線監(jiān)測系統(tǒng)進行過程控制,控制激光和基底之間的相互作用,這些技術(shù)還可以刺激自組織過程,在微米和亞微米范圍內(nèi),以均勻的方式產(chǎn)生激光誘導(dǎo)的周期性表面結(jié)構(gòu)(LIPSS)。具有不同特征尺寸的結(jié)構(gòu)的組合,對于達到增強的表面性能非常有意義。這種方法將促進應(yīng)用許多其他獨特的表面特性。LAMpAS項目得到了歐盟的Horizon 2020研究和創(chuàng)新計劃的資助,資助協(xié)議號為825132。它是光子學(xué)公私伙伴關(guān)系(photonics21.org)的一項倡議。 在過去的幾年里,激光領(lǐng)域有了很大的發(fā)展。激光器制造商都在努力使他們的激光器更可靠、成本更低、更容易與其他部件集成,以便大規(guī)模地實現(xiàn)最終產(chǎn)品,而這是在工業(yè)環(huán)境中全面實施超短脈沖激光器所需要的。事情正朝著正確的方向發(fā)展,并且進展順利。
版權(quán)聲明: 《激光世界》網(wǎng)站的一切內(nèi)容及解釋權(quán)皆歸《激光世界》雜志社版權(quán)所有,未經(jīng)書面同意不得轉(zhuǎn)載,違者必究! 《激光世界》雜志社。 |
友情鏈接 |
首頁 | 服務(wù)條款 | 隱私聲明| 關(guān)于我們 | 聯(lián)絡(luò)我們 Copyright© 2024: 《激光世界》; All Rights Reserved. |