追求高质高速的短脉冲激光微加工

要想在机械加工中实施高成本效率的解决方案，高质高速的微加工是非常重要的。使用激光器进行微加工在近些年已经有了稳步发展，预计到2015年激光微加工市场将达到7.52亿美元。随着近年来激光技术的迅猛发展，纳秒紫外半导体泵浦固体激光器的单脉冲能量和脉冲重复频率(PRF)有了长足的进步。对于任何激光微加工应用来说，如果想要获得材料去除最大化以及热损伤最小化，那么有效利用激光器的能量是至关重要的。

使用最优化的能量密度(J/cm^{2)对于短脉冲激光器的材料去除尤为重要。与长脉冲相比，短脉冲将使得热渗透深度更小，这意味着更小的残留热影响区(HAZ)，从而得以进行严格控制下的精密微加工。这也是为什么许多业内人士在其质量要求最严格的应用中使用纳米短脉冲半导体泵浦固体激光器的原因了。}

与此同时，加工商总是希望得到更快的加工速度，而尽管短脉冲可以进行快速的加工处理，但是如果工艺优化不合适，那么将会导致相对较少的材料烧蚀（因为加热深度较浅）。当仅仅简单地增加脉冲能量以获得更快的加工处理时，有可能会影响到短脉冲在加工质量方面的优势。所以，我们应该考虑到短脉冲的加热体积较小，因而烧蚀阈值更小，这意味着在实施材料去除的时候，对相同的辐照区域（例如焦点光斑尺寸）而言，更短的脉冲需求的输入能量更少。考虑到这一点，我们应该灵活考虑激光器和加工过程，以及可行的脉冲能量在空间和时间上的分布方式，来确保同时获得高质量和高加工速度。

为实现更高的加工速度，最直接的做法是增加能量密度，尤其是在激光能量较高时，但是这是一种效率低下的方法，而且有可能会降低加工的质量。图1和图2的数据清楚地说明了这一点。图1显示，在氧化铝陶瓷上进行深度为30微米的激光划片时，不同的划片速度所需要的能量密度。试验使用了Spectra-Physics  Pulseo系列355-20调Q半导体泵浦固体激光器，短脉冲宽度小于23ns。数据显示，能量密度增加为3倍，只能让划片速度提升为2倍。数据清楚地表明这是一种能量密度的能级过量的低效加工。图2(a)和图2(b)的显微照片显示了过度的加热以及随之而来的热效应将带来更多的材料烧蚀，因而更高的能量密度下，划片的宽度更大。

在能量密度较低的情况下进行加工，虽然以每焦耳为基础的效率更高，但是实际上去除的材料减少了。在其他条件相同的情况下，这会限制加工速度。此外，如今最新的激光器拥有更高的脉冲能量，再使用低能量密度显然不能与其保持一致。为了充分利用这种脉冲能量，我们的加工必须运行在较低的能量密度下，但同时又可实现更高的处理速度以及高质量。

要想运行在低能量密度下而不影响加工速度，从而更有效地利用更高的激光功率，最简单的方法就是使用更高的脉冲重复频率，对于一个典型的倍频或三倍频(例如532或355nm)调Q半导体泵浦固体激光器来说，输出功率随着脉冲重复频率的提高而降低。因此，高脉冲重复频率下的单脉冲能量以及能量密度较低；而由于脉冲重复频率高，加工速度会更快。虽然本质上每脉冲的材料去除量变少了，但是脉冲速度的增加最终会使净加工效率得到提高。

图3中的数据说明了当脉冲重复频率分别为100kHz和200kHz时氧化铝陶瓷激光划片速度和能量密度的函数关系，划片深度为30微米。从图中我们可以看到，当激光器的脉冲重复频率为200kHz时，在较低的能量密度下能获得更高的划片速度。而且更妙的是，当脉冲重复频率提高一倍时，划片速度远不止翻番。图4显示在更高的脉冲重复频率下（200kHz），划片质量不会受到影响。nextpage

使激光器在更高的脉冲重复频率下运行，是最简单的一种在加工中控制能量密度的方法。但是更高的脉冲重复频率通常会导致较低的激光输出功率。那么是否可以使激光器在其最大输出功率下运行呢？这样的话，对这一激光器系统来说，就可以达到其最大的加工速度。答案就是使用光束空间整形技术，例如椭圆光束加工和激光光束分束。这些技术可以使激光器在最大输出功率对应的脉冲重复频率下运行，因而可以得到最高的加工效率。当然我们也要权衡由此给光学系统增加的复杂性和成本。

使用椭圆激光光束进行加工
椭圆光束加工可用于深且窄的高速划片。为此我们需要对光束进行整形以确保理想的划片宽度，因而有必要将光束沿着划片的方向来拉长，以获得最佳的能量密度。当短轴保持不变时，拉长光束将会引起能量密度的线性减少。例如，光束拉长一倍，能量密度将减少一半。而最佳的长轴直径主要取决于我们的划片目标。除了材料的种类，划片深度也是一个因素。划片越深，要求的能量密度也就越高（因此长轴就越短）。

通常，从典型的高斯圆形输出激光光束变为椭圆光束需要使用一个或多个柱面透镜。出于方便，我们使用一对配对的柱面透镜，它们焦距相同，但方向相反，也就是说，一个镜头是平凸的，而另一个是平凹的，但它们非平面那一侧具有相同的曲率半径。当这对透镜置于最终的 聚焦目标之前，可以调节镜片之间的距离，以调整椭圆的长轴（短轴保持固定）。当距离为零时，光束维持其原始的圆形，因为它基本上只
是通过了一块平面玻璃；随着距离的增加，光束被拉得越来越长。

使用椭圆光束的主要优点是可使激光器的高能量在空间中传播并在目标表面获得最佳的能量密度。此外，也可以在保持短轴方向的窄的切口宽度不变的同时，来改变长轴以调整激光器的能量密度。

使用短轴为 ~ 10μm 、长轴为~225μm、激光器的能量为~170μJ的椭圆形的光束，目标表面的能量密度为19J/cm^{2，我们可以在氧化铝上以200 mm/s的速度进行深度为30μm的划片。实验表明该划片的质量良好，并且热影响区(HAZ)很小。}

利用激光分束进行加工
传统上，激光分束是将一束高能激光光束分成多束光束，以对不同材料或者同一材料的不同部位同时进行加工；在此情况下，每一个分束都拥有不同的光路和聚焦目标。而最近，设计师将分束用于邻近的材料上，每一束分束都共享光路。甚至波束拥有相同的最终
传输透镜，因而可以使材料在很小的面积内获得相同的特性，而空间上仍然保持分离。在其他情况下，波束作用于靠得足够近的材料上，以便获得最大的加工效率同时仍保持高质量。可以通过新型的折射型透镜来得到波束，例如微透镜阵列或者专门制造的衍射光学元件(DOEs)。无论是哪种方法，最终的目的是要将激光器的高能量分成“N”个不同的波束；在理想的情况下，每个波束都有着最佳的低能量密度值，以获得最高的加工效率。

在这里，我们使用MEMS  Optical公司的1:7激光分束DOE元件，将能量为~170μJ的激光光束分成  7束波束，每束波束的能量密度为61J/cm^{2。通过1:7激光分束元件，我们可以在氧化铝陶瓷上进行深度为30μm的激光划片，划片速度为175mm/s。除了较高的划
片速度以外，激光分束技术所带来的好处还包括出色的划片质量，划片宽度为~15μm，没有明显的热影响区。值得指出的是，我们这里所使用的1:7激光分束元件并不是最佳的选择，我们还可以获得更高的划片速度和更多的分束。但是，每个定制的DOE激光分束元件的费用很高，所以在这里我们只采用了1∶7激光分束元件来验证我们的理论，结果也很让人满意。}

表1中的数据清楚表明 ，可以通过不同的能量密度控制技术在氧化铝陶瓷上进行高质量、高速度、深度为30μm的激光划片。增加脉冲重复频率是一个直接而有效的方法，而在空间上分配激光器的全部能量可以获得更高的加工效率，尽管这需要在激光光束传送系统上花费额外的成本，而且也增加了复杂性。我们在这里论证了，与仅仅简单地增加脉冲重复频率相比，使用椭圆光束整形和1:N激光分束这两种技术，可以带来更高的加工效率，质量也依然很高。

总结
为了获得最大的材料去除以及最小的热影响区，控制激光器在目标表面的能量密度是至关重要的。可以使用多种能量密度控制技术以实现最佳的加工效率，对于每种技术我们都需要权衡它的性能、复杂性和成本。在某些情况下，可能仅仅调整激光器的脉冲重复频率就可以获得高效益及高质量；而有时，空间能量密度控制技术，例如我们前面提到的椭圆光束整形和激光分束技术，可以更加充分地实现某一激光源的效率潜力，但是复杂性和成本也会随之增加。如今，几乎在所有的材料加工应用中，我们都可以使用上述技术来充分有效地利用调Q半导体泵浦固体激光器的高能量和高脉冲重复频率。