双波长双脉 加工技术
在金属、塑料和陶瓷上打孔或者进行其他加工一直是业界广泛关注的热点。 双脉冲激光加工（又称为超脉冲）技术大大提高了加工速度和加工质量，利用波长为532 nm 的纳秒激光器，技术人员能够加工整洁的小孔，小孔直径非常小（达5m），纵横比30:1。
双脉冲激光加工使用了激光脉冲对，两脉冲之间有固定的延时以至于由主脉冲形成的烧蚀产物能够吸收从脉冲的能量（见图1）。这样得到的就是一个经过修正的激光烧蚀加工过程，该过程比直接的激光烧蚀效率更高，而且可以减少小孔堵塞的可能性。脉冲对的从脉冲不直接打到工件上，而是被主脉冲的烧蚀产物吸收。 图1、图中给出了双波长、
双脉冲激光的运作方式。
脉冲之间有延时是非常关键的，因为双脉冲加工方式要求主从脉冲有不同的波长。此外，从脉冲的设计必须针对烧蚀产物的特性，因为这决定了从脉冲的吸收效率。该设计还可与另一项技术结合起来，在加工过程中更好地除去烧蚀产物。即主脉冲使用短波长，而从脉冲使用长波长来进行材料加工。这样就能够很好地加工通常仅对短波长敏感的材料，而且加工所需的输入功率大大降低，加工速度得到提高，加工质量也更好。
图2、利用双波长双脉冲激光在厚度为0.5mm
的不锈钢板上打孔。实线表示使用双脉冲，
或者其中的一个脉冲穿透材料所需的能量。
虚线表示平均的材料去除率。需要指出的
是，由于355nm主脉冲激光的功率限制在3W
（300mJ/脉冲），一个脉冲对的主脉冲与从
脉冲之间的比率由材料上的总功率来决定。
在不锈钢上打孔时，355 nm的主脉冲
与532nm的从脉冲功率相同，总共为6W。 双脉冲技术
作为测试，我们结合了两个Nd:YAG激光器的二次和三次谐波，对它们出光时间进行同步控制使得在每个出光周期中，355 nm激光脉冲先打到工件上，80 ns后，532 nm激光再抵达工件。因为该激光器的每秒出1万个脉冲，所以355/532 nm的双脉冲组合脉冲每秒打到工件上1万次。
在工件上，激光被５英寸平凸透镜聚焦成直径为40 m的光斑。击穿材料所需的时间可由光电二极管检测小孔后的激光脉冲得到。通过时间值，可以计算材料去除的平均速率，以及打孔和穿透目标材料所需的能量。
如果材料是不透激光的，那么可以在材料后面使用光电二极管来探测激光是否穿透材料。另外，如果材料是透光的，光电二极管就不是很可靠了。在这种情况下，必须适当调整激光打孔的持续时间，直到微观检验显示材料背面正好打穿为止。
因为此前关于利用双脉冲技术可以大大提高材料去除率的报导中，他们仅使用了532 nm的激光脉冲。双波长、双脉冲技术最先是在厚度为0.5 mm的304不锈钢材料上进行测试打孔。这里采用的是脉宽为4 ns的激光脉冲，对用单脉冲去除材料来说，使用355 nm激光的效率比使用532 nm激光来得高（见图2）。
然而，使用双波长、双脉冲技术大大提高了打孔速度，降低了在不锈钢上打孔所需的总能量。这再次证明，双脉冲技术结合不同的波长，能够在加工速度和所需功率上具有显著的优势。nextpage 图3、双波长-双脉冲在1mm的聚乙烯塑料
上打孔。实线表示使用双脉冲,或者其中
的一个脉冲穿透材料所需的能量。虚线
表示平均的材料去除率。这里，355nm主
脉冲的能量保持为3W（300mJ/脉冲），
双脉冲的总能量随着532nm激光脉冲的
能量而改变。因此，当利用双脉冲进行
加工时，如果总能量降低，整体的效果
就更接近仅使用355nm的传统加工方式。
这里我们进一步给出一个用双波长、双脉冲技术来加工塑料的例子。与532 nm激光相比，该材料对于355 nm激光较不透明，即透过率更低一些。我们选用了1 mm厚的聚乙烯塑料。该材料对355 nm激光比532 nm激光更不透明（见图3）。
很明显，使用双波长、双脉冲技术使得在聚乙烯打孔时所需的功率更低，加工速率更高。而且这里，与532 nm的激光能量相比，我们用了很小部分的激光进行三倍频。此外，我们还在双脉冲技术中利用532nm激光得到了比单个532 nm激光脉冲更大的热影响区域（见图3与图4）。
其他激光组合
在双脉冲技术中，我们还采用了532 nm激光作为主脉冲，1064 nm激光作为从脉冲，在1 mm的不锈钢板上打直径为50m的小孔。所得的结果是当总功率提高60%时，加工速度增至原来的三倍。在这项测试中，532 nm激光与1064 nm激光是通过不同的聚焦系统汇聚到材料上的，通过各自的聚焦系统后，两束光由双色镜进行合束。
Making small holes and other structures in metals, plastics, and ceramics is a topic of wide-ranging interest. Double-pulse laser machining (also known as SuperPulse) is a method that significantly improves speed and quality and has enabled the production of straight, clean holes as small as 5m in diameter and with an aspect ratio of 30:1 using nanosecond lasers and 532-nm laser light.
图4、总功率 8W的双脉冲(上图)和高
功率（10W）532nm传统单脉冲(下图)
加工所得到的小孔的入口与出口。
这项技术同时使用了不同波长的激光脉冲来加工直径小，纵横比高的小孔。这就意味着在这项技术的实际操作上有一个很重要的步骤，那就是双脉冲技术中两束光所得到的焦斑必须完全重合。我们的经验是，当焦斑的重合至少为90%时，才能得到优化的加工效果。还需指出的是，在每一对双脉冲中，主脉冲和从脉冲之间的时间差与激光烧蚀和等离子体耗散时间有很大的关系，但是，它与检流计扫描装置和穿孔装置的移动没有太大的联系。
还有其它的一些我们没有测试过激光组合，但是我们觉得不妨一试。例如，266或者213 nm激光（作为主脉冲）以及355 nm激光（作为从脉冲）可能对一些塑料的加工有用，因为它们甚至对于355 nm激光的吸收也很少。
当利用不同的波长时，双脉冲技术得到很好的加工效果，它使得在不锈钢上打孔时的材料去除率提高了好几倍。而且，双波长、双脉冲技术的应用在塑料的加工速度上也有显著的提高。并且由于使用了长波长的脉冲，它所带来的巨大的热影响区域使得总体打孔速度有了进一步提高。
本文作者Bill Johnson，Andrew Forsman和Steve Benda目前在美国General Atomics公司光学部门工作。该公司网址是：www.galasers.com。Steve Benda的电邮是：steve.benda@ga.com。
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