文/Mike Poulter，Jack Gabzdyl

长期以来，纳秒光纤激光器一直是一种可靠、经济高效的材料打标工具。然而，近年来，纳秒级光纤激光器的新发展，已经让它们超越了典型的打标应用。在保持光纤激光器相对较低的价格以及免费维护的前提下，这些新光源以更高的脉冲能量、更高的峰值功率和更高的平均功率为特点，正在微机械加工应用，如薄片切割、连接和表面处理等领域开辟出更广泛的应用空间。

SPI Lasers公司的新型纳秒光纤激光器，能够产生高达50kW的峰值功率和250W的平均功率。利用直接调制的种子激光技术和脉冲调谐（PulseTune）功能，这些激光器能提供3~2000ns的多功能脉冲持续时间控制，使输出优化，以便用于清洗、烧蚀和表面功能化。其中的关键是脉冲特有的时间形状特性。这些脉冲的特征是：具有一个快速上升沿和一个指数衰减的下降沿。

与更接近高斯形状的脉冲相比，PulseTune功能的输出，在更早的时间内超过烧蚀阈值，使总脉冲能量得到更大比例的利用，并最终实现更高的工艺效率、减少基板材料的残余加热。与传统的Q开关激光器不同，PulseTune功能还可以在高脉冲重复频率下保持峰值功率，以提高某些加工的速度。针对清洗应用，这些新型纳秒光纤激光器还提供了一系列光束质量选项，这为优化能量和峰值功率密度提供了另一个维度，从而实现了对表面积的最佳覆盖。

激光清洗与烧蚀

当清洗表面时，我们主要关心的是去除不需要层，同时还要最大限度地降低对基材的影响。现有的工艺包括机械刷洗、喷砂以及化学或干冰处理。刷洗和喷砂都可能非常脏，噪音很大，材料消耗和机器磨损程度也很高。另一方面，化学处理可能涉及对环境有害的溶剂，导致消耗品和废物处理的高成本。激光清洗为这些问题提供了一种解决方案，同时在向被清洗的表面输送能量方面，也提供了更高水平的控制，使能量控制更加精确，可重复使用，产生的废料更少。

激光清洗还具有惊人的可适用性，不管是清洗微观表面还是清洗类似飞机和建筑物中的大型表面，激光清洗都能提供合适的解决方案。因此，商业激光清洗系统正在开发多种不同的结构。有些系统是半便携式的，带有手持处理头，其中至少包含一个振镜扫描轴，以使光束能扫描被清洗的表面（见图1）。其他系统采用运动控制方案进行高精度加工，或使用机械臂进行多维表面清洗或远程清洗，这一点对于核设施的处理特别有用。

图1：手持式激光清洗头。（图片来源：4JET Technologies GmbH）

值得注意的是，光-物质相互作用的机理，对于所有激光清洗应用并不都是一样的。有效的清洗方案可以包括烧蚀、蒸发、熔化和通过产生蒸汽压力喷射熔体的组合。

一般来说，清洁过程的效率取决于许多参数。在理想情况下，激光应该很好地被待清洗的层吸收，但要保证激光能量低于基底材料的相关工艺阈值。这种方式可以使该工艺具有自限制性，即使过度加工也不会对基底材料造成显著的损坏。这可以通过优化激光波长或调整光束参数来实现，这些参数包括脉冲能量、脉冲持续时间（峰值功率）和光束轮廓（能量和峰值功率密度）。激光清洗的关键性能指标通常包括表面质量、边缘质量和清洗速度。

图2：从金属板上选择性地去除粉末涂层。

最近，去除涂漆或阳极氧化表面已成为商业应用中颇为关注的话题，这类清洗就非常适合采用激光清洗方式。试验表明，清洗质量和清洗速度会因涂层和基材的厚度、化学成分、颜色和表面光洁度而发生显著变化。这就强调了优化激光输出以满足手头工作的重要性。图2中的铝板，先施加了黄色涂层，然后是红色涂层；图中显示了只去除红色涂层和两种涂层都去除的加工效果。激光器的输出经过优化，每次有选择性地移除一层，而不会损坏下面的一层。最后一步，用相同的激光对裸金属进行白色标记，以提高图像对比度。

去除金属上的铁锈和氧化层是另一种激光清洗应用，激光清洗方案由于其提供的速度和灵活性而越来越受欢迎。从金属上除锈的过程与去除油漆层类似，但有一个关键区别：铁锈和氧化物能够对大块材料进行化学腐蚀、点蚀和渗透，使其不仅存在于表面（见图3）。为了完全去除基底材料上不同程度的锈迹，还需要用雕刻的方法去掉薄薄的一层基底材料。重要的是，有效去除表面锈迹所需要的激光参数，与最佳去除渗透性锈迹所需要的参数不同；事实上，它们恰恰相反。

图3：金属中的锈蚀或氧化物腐蚀的程度（a）以及钢链除锈实例（b）。

激光清洗也正在取代传统的焊接准备方法，即在金属焊接前，有选择地从金属上去除保护性电偶层。图4显示了从低碳钢中去除氧化锌，以便于焊接和随后的重新镀锌。在这种应用中，最长、能量更高的纳秒脉冲，有利于氧化物的去除和获得最佳边缘质量。在200W平均功率下，可实现大于100mm²/s的清洗速度。

图4：去除低碳钢上的氧化锌，为后续焊做准备。

另外，激光清洗还可以用于后处理，以实现美观性和相应的功能性。图5显示了不锈钢焊缝和激光雕刻的车辆识别号（VIN）的清洗，以获得更高质量的表面美观度和更清晰的辨识度。在后一个案例中，同一台200W纳秒光纤激光器用于雕刻标记，并通过重新优化激光参数用于清洗。

图 5：不锈钢焊缝的激光清洗以及激光雕刻车辆识别号（VIN）的后处理清洗。

激光清洗的需求不仅来自传统市场，还来自于新的终端用户市场，例如快速增长的电动汽车产业。电动汽车行业的应用驱动了对激光清洗的需求，例如从电机发夹上剥离PEEK、PI和PAI涂层，从电池箔上去除特殊涂层，以及清洁汽车轮胎模具工具等。

在消费电子产品的生产中，新的纳秒光纤激光器正在取代固态光源，有选择地、精确地从玻璃上去除透明导电层薄膜。从图6中的案例可以看出，铟锡氧化物（ITO）已经被快速有效地去除，以便在显示面板上进行切边处理。使用200W纳秒脉冲光纤激光器，能以接近20cm²/s的速率去除这类薄膜层。

图6：在不损坏玻璃基板的情况下，从显示面板上去除ITO的边缘。

激光表面功能化

随着应用范围的不断扩展，最新的纳秒级光纤激光器已经超越了清洗应用，延伸到了表面功能化应用；而这些应用在之前被认为是超快光源的专有领域。由于峰值功率和功率密度的提高，纳秒级光纤激光器正推动着表面摩擦系数的增加和减小、流体力学中的阻力降低或机械破碎系统效率的提高。图7显示了一个激光表面抛光的例子，这是通过受控的Marangoni流实现的；这项应用对高精度工具、模具和医疗植入物领域具有重要意义。

图 7：不锈钢板的激光抛光（图片来源：Heriot Watt University）

表面功能化的另一个令人兴奋的应用领域是不锈钢的激光毛化，用于蒸馏、石油化学、制冷和核能发电应用。在这一过程中，可以形成微结构，显著增加核池传热系数，不仅能提高纯流体的沸腾效率，而且还能提高二元混合物的沸腾效率（图8）。

新的纳秒激光毛化技术也可用于控制表面的润湿性，以提供疏水性和亲水性。这是用于水介质或其他腐蚀性环境中的部件的重要特性，以防止腐蚀，延长使用寿命。图9显示了用纳秒脉冲光纤激光器对不锈钢进行功能化处理，产生的疏水表面接触角超过145°。

图8：用于提高流体沸腾效率的不锈钢激光毛化。

图9：用纳秒脉冲光纤激光处理的不锈钢的疏水性。

新的纳秒光纤激光器提供了一个灵活、经济的参数范围，使得用于清洗、烧蚀和表面功能化的下一代光源成为可能。这些激光器允许用户选择性地去除材料，并且在速度、可控性和一致性方面均保持满意效果。全球范围内越来越多的行业都开始采用激光清洗技术，以提高生产率，降低成本。从电池、电动汽车到太阳能等各种市场，都是纳秒脉冲激光器在清洗和表面功能化应用方面大显身手的重要舞台。