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机械资讯 768期
以最新 超快雷射源 新技术拓展应用领域

文/黄国钦
台湾创浦股份有限公司雷射应用业务部 业务经理
有鉴于现在的工业材料加工方式要求越来越高。非接触性的雷射加工法，已经成熟的运用在各个产业，尤其是在微细加工方面。现行的微细加工雷射源可概分为奈秒等级的雷射加工以及皮秒/飞秒等超快等级的雷射加工法。
以目前创浦(TRUMPF) 的雷射源而言。皮秒的雷射加工法以及飞秒的雷射加工法在微细加工的领域有很大的进展及助益。
皮秒/飞秒等级的雷射源，目前在某些半导体或者是易累积热源的材料上，可利用该等级红外光的雷射来加工。皮秒依然会依照加工时间的累积而偶尔会看到热影响区(HAZ)产生的效果，但若用飞秒来施作，这个现象就会感觉到比较好。尤其在金属材料的表现上。但很令人讶异的是，在半导体切割的表现上，以创浦的经验，皮秒雷射目前表现出来的效率及品质反而优于飞秒雷射。
目前创浦超快雷射的开发以激发介质原理的不同概分为三款：
第一种是碟形(Disk)雷射，也是目前创浦超快雷射的主力。TruMicro 5000系列碟形雷射有激发稳定，出光品质超高以及散热温度曲线平整的特性，而且碟形雷射是属于再生放大脉冲输出的原理。能够在超快脉冲产生的过程中选择出最好品质的脉冲再作为输出，因此以目前的技术更能在机台的寿命期限内，确保其输出的品质及稳定性。非常适合7×24小时的工业量产化的环境中来使用。
第二种的雷射是以光纤型(Fiber)激发原理的线性雷射，这是属于TruMicro2000型系列的雷射，它的特色是体型小，操作容易，价格相对便宜，而且此款雷射在重复频率以及功率会有比较大的范围可供客户来做调整。目前此项产品的主力功率是以低功率20瓦以内的皮秒或飞秒红外光及绿光雷射为主要范围供应。最新发表的机型更是可以从20皮秒至300飞秒在同一台雷射中自由调整输出。
第三种雷射是平板型(SLAB)激发原理的雷射，这种雷射的激发亦是线性的雷射。而线性的雷射输出会依照线性的方式而变化。在可控制的范围内，它的频率以及功率的输出能够达到3MHZ 及200W以上，有更大的弹性可以做客制化需求。因此这款新型的雷射，创浦以高功率、高频率为主要的诉求点，而且在紫外光的范畴下。这台TruMicro 6000系列的表现也相当的不错。
在雷射技术发达的今天，为什么要采用超短脉冲雷射来加工？这就是我们今天要介绍的雷射微加工。

雷射微加工

人们很早就尝试利用雷射进行微加工。但是由于雷射的长脉冲宽度和低雷射强度造成材料熔化并持续蒸发，虽然雷射光束可以被聚焦成很小的光斑，但是对材料的热冲击依然很大，限制了加工的精度。唯有减少热影响才能提高加工品质。当雷射以皮秒等级的脉冲时间作用到材料上时，加工效果会发生显着变化。皮秒加工的原理，是在非常短脉冲时间的情况之下。能够将分子链结，以超快的速率以及超高的峰值功率将其打断，在材料还来不及累积热效应之前，材料本身的分子链结就已经断裂。比如切割，一般的奈秒或连续波等级的雷射加工时，会大量的累积热以至达熔点将材料烧熔。但皮秒等级的雷射在材料还为不及产生热之前，就已经被雷射以超快的速度以及超高峰值功率将其分子链结断裂，进而使材料完成切割。而飞秒的雷射更是有更短的脉冲时间。因此在累积热源的表现上会更加的不明显。所以也被称为“冷加工”。凭藉冷加工带来的优势，超短脉冲雷射器进入到工业生产应用当中。
超短脉冲雷射器产生的脉冲宽度定义在皮秒和飞秒量级。1 皮秒等于 10-12 秒，1 飞秒等于 10-15 秒。也许比较抽象，但是我们可以转化成距离的形式来比较。举个例子，光的速度是 3x108 米/每秒，光从地球到月球所需要的时间大约是 1.3 秒， 而1皮秒的时间里光运动的距离是 0.3 毫米！

超快可以做什么?

(Ref: THE LASER AS A TOOL)
短脉冲雷射技术的迅速发展使得其在工业范围的应用非常广泛，几乎每天都会发现新的应用。目前短脉冲主要集中在下面几个应用领域。
1.钻孔
电路板设计中人们开始用陶瓷基板代替常规的塑胶基板以实现更好的导热效果。为了连接电子元件，一般需要在板上钻高达数十万个直径40~100μm的小孔。因此保证基板的稳定性不会受到钻孔过程时热输入的影响就变得十分重要，皮秒雷射正是这个应用的理想工具。皮秒雷射能以冲击钻探的方式完成孔的加工，并保证孔的均匀性。除了电路板，皮秒雷射还可以对塑胶薄膜、半导体、金属膜和蓝宝石等材料进行高品质钻孔。
2.划线，切割
通过扫描的方式叠加雷射脉冲可以形成线。通常要通过大量的扫描可以深入到陶瓷内部，直到线的深度达到材料厚度的1/6。然后沿着这些刻线从陶瓷基板上分离单个模组。这种分离方法叫做划线。另一种分离方法是使用超短脉冲雷射烧蚀切割，也称为消融切割。雷射对材料进行烧蚀，去除材料直到它被切透。这个技术的好处是加工的孔的形状和尺寸具有较大的灵活性。所有的工艺步骤可以通过一台皮秒雷射器完成。
3.去除镀层
另外一种经常被视作微加工的应用是在不损害或轻微损害基板材料的情况下精确去除涂层。既可以是几微米宽的线，也可以是几平方厘米的大面积去除。由于涂层的厚度通常远小于烧蚀的宽度，以至于热量不能在侧面传导。因此可以使用奈秒级脉冲宽度的雷射。高平均功率雷射、方形或矩形传导光纤、平顶光强分布，这几项技术的结合使得雷射面积刮除得以在工业领域得到应用。例如：使用创浦公司的TruMicro 7060 雷射器去除薄膜太阳电池玻璃上的涂层。同样的雷射器也可以应用在汽车工业中对抗腐蚀涂层进行去除，为后续焊接做准备。
4.表面结构化
结构化可以改变材料表面的物理特性。根据莲花表面效应，疏水性表面结构让水从表面流掉。用超短脉冲雷射器在表面创造次微米结构可以实现这个特性，并可以通过改变雷射参数对所要创造的结构进行精确控制。相反的效果，例如：亲水性表面，同样可以实现，而且微加工还可以创造更大尺寸的结构。这些工艺可以用于发动机中的油箱来制造一些降低磨损的微结构，或者在金属表面结构化实现与塑胶的焊接。
5.雕刻成型
雕刻成型是通过烧蚀材料创造三维形状。尽管烧蚀的尺寸可能会超过传统意义上所说的微加工的范畴，但是它所需的精度还是使它被划分到这类雷射应用领域。皮秒雷射可以用于加工铣床的多晶金刚石刀具边缘。雷射是加工多晶金刚石的理想工具，多晶金刚石是可以制作铣刀刀刃的极为坚硬的材料。使用雕刻成型技术来加工铣刀的切屑槽和齿，这种情形下雷射的好处是非接触和高加工精度。
总之，微加工具有非常广阔的应用前景，越来越多的生活用品正通过雷射微加工进入我们的视野。
“冷”加工优势使得超快雷射在多个领域表现出色。超快雷射以其独特的超短持续时间和超强峰值功率正在打破以往传统的雷射加工方法，开创了材料超精细、低损伤和空间3D加工和处理的新领域，该技术已在精密加工、消费电子、医学美容、航空航太、光电能源等多个领域得到非常广泛应用。
超快雷射在多种材料的微细加工方面的应用。例如：对于一般金属如钢、铜、铝等来说，由于具有很高的热导性和较低的熔点温度，在其表面实现高精度和高品质的钻孔有很大的困难。但超快雷射凭藉其独特的“冷”加工优势，在多种材料的微细加工，包括：钻孔、切割、表面处理和3D结构制作方面表现出色。
除了雷射源的各种应用外，末端输出光学镜组的开发，也是让应用更升级的一个重要课题。除了原本镜片式光学镜组DOE的发展，最新技术Spatial Light Modulator (SLM，空间光调制器)的发展，利用液晶技术做分光、光型调控，因为显示技术乃数位控制，因此这一支技术又别称数位光学或LCOS(因液晶材料之故)也将会是光学开发的一个先进课题。
目前半导体最先进的EUV领域，雷射更是不可或缺的角色。创浦的雷射源在EUV生成过程中的脉冲雷射功率放大技术上的贡献，更已经是占有品质及技术的优势。
2013年12月创浦公司和来自BOSCH公司以及耶拿大学的合作伙伴一起获得了德国未来奖，以表彰他们在工业超短脉冲雷射精微加工技术应用领域的突出贡献。通过该技术，汽车生产商可以对汽车发动机燃料喷油嘴进行精细的钻孔，进而提高燃油的燃烧率。
对工业量产化而言，雷射品质的优劣及稳定性是非常重要的因素。一般实验室等级的雷射在实验室中或许能做出不错的品质，但一旦放入了长时间的量产环境之后，很快的雷射将会出现问题，这是雷射产品本身稳定性及可靠性的因素。而创浦目前的超快雷射皆是以工业量产化为压力测试所做出来的，已接受过各大知名产品的量产压力测试。因此，一套用于工业量产化的加工机台搭配能承受工业量产化的雷射源是非常重要的一件事。对客户而言不稳定的雷射源所造成的停机维修时间所衍生出来的成本，绝对比当初投入时省下的那一点的资金，有过之而无不及。
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