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今日超快激光——平均激光功率的不断提高为飞秒激光加工开辟了新的天地
材料来源: 江苏激光产业技术创新战略联盟           录入时间:2022/5/16 22:04:57

在过去的十年里,超快激光器的平均功率有了巨大的增长,工业激光器现在达到了千瓦级。我们正处在飞秒技术的转折点,这将使新的使用领域和新的生产方法成为可能。高激光功率和相关的光束工程能够显著提高工业生产率,并打开进入航空、能源和移动等大型新市场的大门。

高面积表面飞秒激光纹理。

超快激光器,即在皮秒或亚皮秒范围内工作的脉冲激光器,在过去三十年中改变了高精度激光制造业。自20世纪90年代中期以来,它们的两个特征已被证明对材料加工有很大的影响。它们的短脉冲持续时间和相关的高峰值功率提供了一种特殊类型的烧蚀,适用于所有材料,其中电子在热传递到晶格之前在等离子体中电离。实际上,这意味着激光与物质的相互作用在材料中产生任何热量之前就结束了,这提供了一个几乎无热的过程。再加上激光加工的典型焦距,以及允许在几乎任何材料上相互作用的高光功率,潜在的好处是显而易见的:任何材料的微加工都具有高精度、小特征尺寸,并且没有热效应,例如裂纹形成或表面熔化。

最初可用的激光源是复杂且昂贵的系统,因此主要局限于实验室领域。工业应用不得不等到21世纪初,当时激光的强烈发展导致了适合工业部署的新一代二极管泵浦、紧凑和可靠的激光器。在此期间,发展了三种主要的工业激光技术,即薄圆盘、光纤和平板,至今仍在使用。利用镱作为活性物质,它们构成了当今工业应用的基础。

提高平均激光功率是“宏观”加工市场的关键。

随着激光技术的成熟,一个价值10亿美元的市场逐渐出现,围绕着一个由激光制造商、系统集成商、技术中心和研究机构组成的生态系统,以欧洲为核心,影响着人类活动的各个环节。在医学领域,lasik等视力矫正应用迅速扩展,白内障手术等新手术也迅速跟进。超快激光修复了复杂OLED显示屏上的微小缺陷,后来被用于切割相同的屏幕。它们现在是所有现代智能手机制造中必不可少的部件。开发了新的创新标记应用,如消费电子设备的深黑色美学标记,或在玻璃内部刻上隐形代码,以满足制药行业的可追溯性和防伪需求。进一步的激光和应用开发现在可以实现钻孔和高精度切割,以及复杂的表面纹理,例如在豪华手表制造行业。其他进展,如玻璃或不同材料的微焊接,或用激光和化学蚀刻技术在玻璃上制造复杂的三维结构,都扩大了应用范围。

通往高权力之路

尽管这些应用程序多种多样,但它们有着共同的特点。它们需要微米级的分辨率,通常覆盖非常小的区域,通常只有几平方毫米。一个飞秒脉冲将去除少量具有极高精度的材料,导致相当有限的烧蚀效率,在大多数情况下约为几立方毫米/分钟。因此,提高烧蚀效率可以在相同的时间内获得更大的加工量,正如我们将看到的那样,有潜力打开新市场。

Tresclean项目(Tresclean.eu)旨在开发用于拒液和抗菌金属表面的高通量激光纹理。

即使现在正在积极探索一些替代方案,如千兆赫兹处理,提高烧蚀效率的主要途径仍然是提高平均激光功率。这可以通过增加一个脉冲中包含的能量来实现,也可以通过增加每秒的脉冲数,即激光的重复频率来实现。

在过去几十年中,提高激光器的平均功率一直是工业应用发展的关键驱动力。当前的大容量制造工艺,如OLED显示屏面板切割,使用功率范围为10至100瓦、中等脉冲能量(通常为几百微焦耳)和高重复率(通常为10 kHz至数MHz)的激光器。提高烧蚀率,为飞秒激光加工开辟新市场,需要将激光功率提高一个数量级。

目前工业激光器中的活性材料——镱离子,对大功率操作提出了特殊的挑战。由于它的低发射截面,它需要非常高的抽运强度来获得足够的增益,以实现高效的激光工作。这可以通过将泵浦二极管光束紧密聚焦到激光材料中来实现,但由于泵浦对激光的转换效率并不完美,这意味着必须从小体积中提取大量的热量。

飞秒激光器多年来的发展。20年平均功率增加1000倍。

因此,任何高功率激光技术都需要从激光放大器中有效提取热量,同时为激光操作保持足够的增益。多年来已开发出三种技术替代方案,并证明了它们在大功率运行中的能力。

第一种方法是利用激光放大器的材料几何形状来保证有效的热提取。激光材料是一种薄薄的掺镱晶体,安装在一个非常高效的散热片上,以实现最佳提取。此外,激光光斑保持相当大,因此激光晶体中的热梯度大部分是单向的,因此可以保持较高的空间光束质量。这种方法的另一个优点是,原则上可以使光束大小任意大,并且可以获得高脉冲能量。最近的工作证明了这种技术在焦耳水平上的输出能量,与通常用于材料加工应用的数百微焦耳进行了比较。主要限制是晶体中的低单程放大,以及由于晶体厚度较低而限制的泵浦吸收。采用抛物面镜多道设计以及更复杂的激光设计的复杂泵浦配置可以部分避免这一缺点。在振幅与斯图加特大学für Strahlwerkzeuge研究所(IFSW)的合作中,一台千瓦级激光器在24通泵浦腔中使用125µm厚的Yb:YAG光盘和80通激光放大,以1 MHz的重复率提供了1 mJ的脉冲,脉冲持续时间为560 fs。

第二种优雅的方法是使用掺镱光纤作为有源激光介质。直接的好处是,要提取的热量沿着纤维长度分布在一个大面积上,因此可以相当容易地去除。因此,与其他方法相比,实现高平均功率相对容易。除了有效的热量提取,由于光纤中的长传输长度,高激光增益也是可能的。主要的挑战是,为了保持良好的光束质量,光纤芯需要单横模操作。这对光学设计提出了严格的要求,而传统的光纤制造技术无法满足这一要求。只有具有大掺杂纤芯和泵浦光有效耦合的微结构光纤的出现,才允许绕过这一限制。纤芯的有限尺寸和光纤中累积的非线性仍然限制了每个脉冲的可用能量。

早在2010年,耶拿大学的研究人员就展示了一种平均功率为830 W的光纤激光器,以78 MHz的重复频率提供10.6µJ、640 fs的脉冲。在最近的一项工程壮举中,同一团队通过12个独立放大器的相干组合,展示了10.4千瓦的平均功率操作。

第三种方法由亚琛的Fraunhofer激光技术研究所(Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT)率先提出。活性材料是一种具有矩形横截面的掺镱平行六面体晶体。泵浦二极管产生的热量从顶部和底部表面提取,同时激光束以多程排列放大。脉冲能量随着光束直径的增加而增加,从而使晶体表面保持恒定的注量。使用这种技术,可以可靠地实现高效率和高能耗。单侧散热可能会导致光束产生一些像散,在激光设计中必须仔细考虑这些像散。多年来,板坯技术已被转移到多家工业公司,如Ampliance、Amphos和Edgewave。

它提供几十毫焦耳范围内的脉冲能量、飞秒运行和高重复率,现在已成为工业环境中高平均功率运行的事实标准。

第二次超快革命千瓦级飞秒激光器的日益普及,以及光束工程和应用开发的进步,意味着我们正处在超快激光加工发展新阶段的边缘。通过将高精度微处理技术引入大规模环境,未来几年将开辟新的市场和应用。

例如,Tresclean项目正在探索超快激光在家用电器(如洗碗机)上制造抗菌表面的潜力。该项目展示了大型金属模具的高速纹理,赋予表面新的功能,然后可以转移到最终制造的零件。

在另一个例子中,多点项目正在开发一个高功率、超快激光处理系统,用于在航空航天工业中制造混合层流控制(HLFC)结构的大型钛板的高通量微钻孔。

在显示行业,高功率、绿色或紫外线飞秒激光器的可用性为高效切割和加工尺寸和复杂性不断增加的AMOLED屏幕提供了新的视角。

从长远来看,高平均功率飞秒激光器是半导体计量中产生极端紫外辐射的理想光源。高能、高功率激光产生的x射线可用于先进的医学成像应用。

在工业激光器制造商、技术和研究中心以及组件制造商的合作下,超快激光加工仍有光明的前景。

大功率运行的光束工程

仅高平均功率激光器的可用性不足以保证高烧蚀效率和大规模微处理。以高重复率、高平均功率激光照射材料意味着,即使单个脉冲、超快相互作用的余热沉积非常低,脉冲之间的热量逐渐累积也会导致不必要的热效应,严重降低加工质量,并否定超快激光加工的好处。有两种策略可以缓解热量积聚。

如果可用的脉冲能量足够高,光束可以被分成几个平均功率可控的小波束。这允许通过增加光束数量来提高处理速度,同时保持每个光束的最佳处理质量。在欧洲Multiflex项目框架内,Amplitude和Fraunhofer ILT之间的合作旨在将千瓦平均功率的飞秒激光系统耦合到动态分束系统。通过声光调制器耦合衍射光学元件与主动控制,可以在64 × 64网格中精确控制每个单独的光束。

高效使用低能量、高重复率系统需要较高的扫描速度,以使光束不会在单个点上停留太长时间,并使材料上的平均功率密度保持较低。新一代多边形扫描仪的扫描速度可达每秒数十米甚至数百米,消除了重要瓶颈。由于多边形扫描仪仅以恒定速度在单个方向偏转激光束,因此激光器和扫描头之间的同步变得至关重要。激光器的先进同步功能允许真正的“按需脉冲”操作,并为新的处理方法开辟了道路。

第二次超快革命千瓦级飞秒激光器的日益普及,以及光束工程和应用开发的进步,意味着我们正处在超快激光加工发展新阶段的边缘。通过将高精度微处理技术引入大规模环境,未来几年将开辟新的市场和应用。

例如,Tresclean项目正在探索超快激光在家用电器(如洗碗机)上制造抗菌表面的潜力。该项目展示了大型金属模具的高速纹理,赋予表面新的功能,然后可以转移到最终制造的零件。

在另一个例子中,多点项目正在开发一个高功率、超快激光处理系统,用于在航空航天工业中制造混合层流控制(HLFC)结构的大型钛板的高通量微钻孔。

在显示行业,高功率、绿色或紫外线飞秒激光器的可用性为高效切割和加工尺寸和复杂性不断增加的AMOLED屏幕提供了新的视角。

从长远来看,高平均功率飞秒激光器是半导体计量中产生极端紫外辐射的理想光源。高能、高功率激光产生的x射线可用于先进的医学成像应用。

在工业激光器制造商、技术和研究中心以及组件制造商的合作下,超快激光加工仍有光明的前景。

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