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工业应用
紫外飞秒脉冲与 PSO 技术结合实现高质量和高产量
材料来源:MKS光电解决方案           录入时间:2023/8/31 21:19:26

超短脉冲 (USP) 激光器,尤其是飞秒激光器,能够干净利落地烧蚀材料,同时最大程度减少热效应和碎屑形成,因而成为眼科手术、医疗设备和植入物、先进微电子和平板显示器等领域中众多精密应用的理想光源。为了在提高产量的同时保持出色质量,无论何种应用,都迫切需要更高的功率、更短的波长和更先进的技术。为应对这一需求,MKS Spectra-Physics® 推出 IceFyre®FS UV50 激光器,可在 1.25 MHz 的重复频率下提供 50 W 紫外线 (UV) 波长的飞秒脉冲输出。

在较高的功率水平和脉冲频率下,要想在保持飞秒脉冲特有的低热影响区 (HAZ) 的同时实现高产量可能相当困难。要做到这一点,对于给定轨迹,光束扫描速度应尽可能快,同时工件上的激光脉冲间距应均匀,以确保加工均匀度。扫描振镜很常用,因为它们的加速度极高,能够在较长较直的线段上达到每秒几十米的速度。然而,随着几何形状弯曲和/或改变方向,扫描速度可能会大大减慢。

为了在保持加工质量的同时最大限度提高产量,激光源输出脉冲的频率必须可控并且与轨迹速度成比例变化,同时脉冲能量和光束参数保持不变。有一种能力可以发出能在任意时间点上触发的稳定一致脉冲,一般称为按需脉冲 (POD)。这种能力对于控制激光器的脉冲频率以保持这些脉冲在移动工件(或来自移动光束)上处于理想位置等工作是必要的,这类技术通常称为位置同步输出 (PSO)。PSO 既需要一套运动控制系统以与轨迹速度成比例的频率产生电触发脉冲,又需要一个能够接受这种信号的激光源,以“按需”的方式提供稳定的光脉冲。图 1 以由低速圆角和高速直线段组成的轨迹为例,说明了 PSO 的原理。

图 1. PSO 控制可使恒定能量激光脉冲在材料上沿整条变速轨迹(例如圆角矩形)保持恒定间距。

结合多轴线性位移台运动和高速振镜,PSO 展现优异的性能,实现高产量。配用线性位移台后,PSO 的优势是整条轨迹的速度不必受限于圆角的速度。而对于振镜加工,优势是触发激光脉冲不需要将反射镜加速到最大速度。

在运动控制方面,PSO 的性能优势在线性位移台系统中相对成熟,扩展到振镜扫描仪是最近的事。然而,与PSO 兼容的先进激光技术却不那么完善,特别是在较短波长下工作的飞秒激光器。传统超快激光器的 MOPA(振荡器加功率放大器)结构对实现 PSO 操作需要的脉冲输出同步提出了挑战。这是由于系统的脉冲选择性质,即由自由运行的振荡器定义一个基础频率,从中选择并放大脉冲。受到这种固定频率振荡器的影响,不可避免地会产生时间抖动,即请求(“触发”)脉冲和发射脉冲之间时间延迟的变化,这会导致脉冲在工件上出现空间定位误差(“空间抖动”)。即使采用先进的技术,例如将所选脉冲从默认位置转移到邻近脉冲以便最好地匹配到轨迹上所需的位置,结果仍然可能不尽人意。就其本质而言,传统的 USP 激光器结构可以在位置精度受限的前提下保持脉冲能量稳定,或者在降低脉冲能量稳定性的前提下改善脉冲位置,但两者不能兼得。不过,激光技术的进步已经在很大程度上克服了这个问题。现在,某些激光器设计架构能够在任意频率下进行脉冲生成、放大和谐波(波长)转换,同时保持良好的脉冲能量稳定性和光束质量。这样就能实现 POD 能力。

IceFyre FS UV50 激光器就具备 POD 能力,可“按需”提供能量和光束参数不变的脉冲。为了证明 PSO 能力的优势,MKS 的应用工程师进行了一系列实验,使用激光器与针对 PSO 操作配置的高速双轴振镜扫描系统配合。

图 2 所示为扫描速度为 1 m/s、5 m/s、10 m/s 和 15 m/s 时,使用 (a) 常规自由运行方法、(b) Skywriting 技术和(c) PSO 方法处理的一系列 1×1 mm 方块一角的显微镜图像。

 图 2. 采用了 (a) 自由运行、(b) Skywriting 和 (c) PSO 技术,使用超快紫外激光器加工的 1×1 mm 方形一角的显微镜图像。

在常规方法和 Skywriting 方法中,针对每个速度对激光PRF(脉冲重复频率)进行调整,以保持 25 µm 的恒定脉冲间距。在 PSO 方法中,则通过对控制软件进行编程来保持脉冲间距为 25 µm 且整个轨迹上的脉冲能量始终一致,不受实际速度影响。

结果总结如下:

图 2(a):显示使用自由运行方法时,扫描仪反射镜加速和减速的边角处光斑间距更密。因此,使用这种技术加工会导致光斑间距不均匀,从而产生热效应,降低加工质量。对于许多应用而言,这种边角质量完全不能接受,而且这个过程必须以大约 1 m/s 的低扫描速度执行,远远低于激光器和扫描仪的能力。

图 2(b):所示为使用 Skywriting 技术产生的结果,从质量的角度来看可以接受。然而,在 skywritting技术中,会在轨迹路径里增加引入和引出线段,在这些线段里激光会关闭,直到振镜达到对应的目标速度。因此,尽管能够实现光斑间距的均匀度和总体质量目标,但需要更长时间来完成轨迹,从而导致产量降低。

图 2(c):最后,通过实施 PSO,在所有速度下均可保持光斑间距和脉冲能量不变,从而获得出色的质量和高产量。

高质量金属雕刻是 USP 激光器为人所熟知的一项应用。然而,如果希望使用现有的高功率激光源实现优异质量和产量,就需要 PSO 的性能优势。为证明这一点,使用上述三种加工技术(自由运行、Skywriting 和 PSO),在不锈钢上雕刻 1×1 mm2 方形,扫描器运行速度为 7.5 m/s。将参数调整为使光斑间重叠和交叉线重叠均为 50%。使用 3D 共聚焦显微镜对激光铣削的特征进行分析,结果如图 3 所示。

图 3. 使用自由运行(上)、Skywriting(中)和 PSO(下)技术进行不锈钢雕刻的 3D 共聚焦图像和分析。

使用传统自由运行技术时,由于扫描仪运动中重复加速和减速阶段的重叠率高,图案边缘雕刻过度。使用 Skywriting 和速度触发技术得到的结果质量接近。不过,使用 PSO 的加工速度明显快于 Skywriting(>40%),展示出这项技术的明显优势。

更高的激光功率自然会带来更高的加工产量,但配套设备必须满足任务要求。高速振镜扫描仪和精密运动位移台提供的能力可以在激光脉冲与加工工件的轨迹之间实现精确的时空同步。IceFyre FS UV50 激光器的紫外波长和飞秒脉冲宽度与先进的 PSO 脉冲控制技术结合时同样能实现出色加工质量,同时还可以最大程度提高产量。

产品:IceFyre FS UV50 激光器

IceFyre® FS UV50 激光器是市面上表现优异的紫外飞秒激光器,在1 MHz 时提供 >50 W 的紫外输出功率,脉冲宽度 <500 fs。它是经过行业验证的 IceFyre 平台的最新产品,具有令人惊叹的通用性和性能,以极低的购置成本满足各种高精度飞秒微加工应用的需求。用户可配置的 TimeShift 脉冲串模式功能可实现烧蚀效率更高的微加工,从而提高特定材料的产量和质量。高达 50 μJ 的脉冲能量和单脉冲到 3 MHz 的重复频率使 IceFyre FS UV50 成为烧蚀和切割应用的理想光源。该激光器的设计可为高扫描速度的优质加工实现同类激光器中时间抖动极其低的按需脉冲 (POD) 和位置同步输出 (PSO) 触发功能。客户得益于工业上可获得的短脉冲宽度和优异的光束质量,能够以高产量在几乎不产生热影响区 (HAZ) 的情况下以高精度和质量加工高难度部件。IceFyre FS激光器为工业用途而设计,以优异的性价比实现稳定可靠的全天候运行。IceFyre FS 基于 Spectra-Physics 的 It’s in the Box 设计,将激光器和控制器集成到极其小的封装中。

文章来源:MKS光电解决方案  

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