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材料微加工领域的利器:超快光纤激光器

激光打标机7年前4424

 过去十年中,超快光纤激光器技术在总功率、脉冲和光束质量、易用性和稳健性等方面取得了长足的进步。因此,超快光纤激光器开始应用于多个制造行业中对材料进行高效、高精度的加工。本文章总结了最近用高脉冲重复频率的超快光纤激光器进行材料微加工的几项研究进展。特别有趣的是,在一些其他的材料研究中,几种激光加工的材料被发现了新的特性和功能,这导致超快光纤激光器不仅被当作一种强大的材料成型工具,同时也有可能成为一种有效的材料制备工具。

  玻璃和塑料焊接

  对于大部分精密的材料加工应用来说,在工件中产生的多余热量是不需要的。然而,对于透明材料的微焊来说,精密控制的热量积蓄对于融化材料并形成焊缝非常关键。聚焦的超短脉冲的高强度会引起透明材料中的非线性吸收,因此只会在两种材料的接触面上激光焦点周围很小的区域内产生大量的热量。每一个激光脉冲都会产生很少的热量,如果焦点区域在下一个脉冲来之前就冷却下来,那么这个热量也就可忽略不计。如果脉冲之间的空间重叠以及脉冲重复频率足够高(数百kHz及以上),热量将迅速地在这一区域积累并引起材料熔化。可以通过改变重复频率及光束扫描速度来精确地控制熔化的量。这一技术已经在玻璃和塑料焊接上得到了应用。图1展示了两块玻璃之间焊接面的截面。这种无需密封的高速、精确的焊接有许多好处,例如在制造太阳能电池板时面板边缘需要密封,目前要用专门设计的密封胶和热熔系统来完成。

材料微加工领域的利器:超快光纤激光器  第1张

  “脉冲串模式”脉冲激光沉积脉冲微光切割你了解多少?

  脉冲激光沉积制造薄膜技术已经广泛应用于新材料开发的基础研究中。大功率纳秒脉冲激光烧蚀往往会在等离子体羽辉(羽毛状的发光团)中形成大的熔滴,这会影响薄膜质量。有许多机械和电子的方法可以控制烧蚀的羽辉来补救熔滴的问题。高重复频率的超快光纤激光器提供了一种替代解决方案。特别是将激光脉冲集合在一起形成一个脉冲串(bursts),每个脉冲串包含数个单独的脉冲,这可以实现更为精确的热量控制,让靶标物直接气化而不会形成大的熔滴。

  光纤激光体系可以直接从激光光源快速地输出脉冲串,称为脉冲串模式。例如,如图2(a)所示,在进入放大阶段之前,可以用声光调制器从50MHz的振荡器中筛选种子脉冲,最后输出的是由多级脉冲组成的脉冲串,而且相邻脉冲的间隔为20纳秒。20纳秒的脉冲间隔非常短,可以引起多重累积效应,包括靶标物的热量以及烧蚀羽辉和紧随其后的激光脉冲间的热量,最终这将可以优化薄膜质量。图2(b)展示了用这种方法沉积的TiO2薄膜。如图中的透射电子显微镜图(TEM)所示,薄膜的质量非常高,薄膜表面达到了原子级别的平滑程度,薄膜和基质间的界面也很平滑。用光学显微镜观察100毫米的区域也没有发现大的熔滴。

材料微加工领域的利器:超快光纤激光器  第2张

  表面微造型

  作为一种替代性的表面处理方法,与传统的喷砂法和化学腐蚀法相比,激光表面微造型技术(LST)可以通过其具有的高精度和预设计的方式来改进摩擦学性能。另一方面,众所周知,几十年来激光烧蚀也可以在包括亚波长至几百纳米尺度范围的固体表面上制作规则的图案。这种成型方法通常可以用表面散射波和激光光束间的耦合干扰来解释。在实践中,这种现象在接近烧蚀阀值时最为突出。考虑到干扰的性质,可以通过改变激光偏振来控制图案的定位。然而,这种有趣的现象并没有得到广泛的应用。

  在最近的研究中,我们发现在某些条件下激光造型的金属表面会变得高度疏水(它们排斥水)。图3(a-b)显示了用线偏振和圆偏振制成的激光诱导线形和颗粒形表面的扫描电子显微镜(SEM)图像。图3(c)显示了不锈钢表面的激光图案上的水滴的影图。水滴的锐角小于30°,这表明金属表面是高疏水性的,这使得有可能形成由多孔的固体和困于其中的空气组成的复合表面,从而将与水接触的面积最小化。

材料微加工领域的利器:超快光纤激光器  第3张

  当可以用高重复频率的超短脉冲激光器和机器人来处理大面积、超疏水的金属表面时,可以用这种技术来生产大型户外设备,例如具有防覆冰表面的风力机叶片。行业现在仍在寻找一种有效的方法,目前比较成功的光刻法仍然局限于研究实验室中,而且价格昂贵。

  透明介质上的激光打印

  脉冲激光沉积的一种特殊变体是激光诱导反向转移(LIBT)技术,可以应用于高分辨率的激光直写。这项技术是用激光光束穿过透明的基质来烧蚀附近的靶标物。激光诱导蒸汽被反向推动到透明的基质上进行沉淀。LIBT技术在激光领域有着广泛的应用。将超快光纤激光器用于这项技术,我们可以进行广泛、连续的灰度范围内的图像打印,这只能在MHz级别的高重复频率下实现。图4(a)展示了这一体系。计算机控制的光束扫描仪根据原始图像的灰度级别来改变光束扫描速度。高重复频率会产生多脉冲的空间重叠,相应的沉积量也会累积,从而渲染出连续灰度的视觉效果。

 

  这种技术可以扩展打印材料的附加功能。图5 是一个打印荧光文字的例子,靶标物由磷粉组成。图5(a)显示了打印的文字在房间内的灯光下呈半透明。图5(b)显示了用紫外线照射同样的文字, 靶标物的磷粉发出明亮的橙色荧光。这个示例说明超短脉冲激光烧蚀不是一个破坏性的过程, 并没有破坏材料, 通过激光烧蚀可以保留靶标物的某些功能特性。

材料微加工领域的利器:超快光纤激光器  第4张

  金、银和磁性材料的纳米颗粒纳米级别微型3D激光打标机在生物医学科学领域有着许多潜在的应用价值,包括基于纳米颗粒的免疫学测定、药物靶向输送、温热疗法和医疗图像增强等等。标准的纳米颗粒胶体合成方法是用化学方法减少液体溶剂中的金属前体,用表面活性剂来稳定颗粒,阻止其聚合。这有可能会产生杂质,对于生物应用来说是不够理想的。在液体中使用激光烧蚀是一种物理方法,可以生产高纯度的金属纳米颗粒胶体。在实际应用中,靶标物(例如一块金片)放在一种液体溶剂(例如水)中。激光光束聚焦在靶标物的表面进行烧蚀,同时在液体溶剂中也会产生纳米颗粒。考虑到独特的固液相变过程,应首选飞秒脉冲来形成纳米颗粒。较高的重复频率和光束扫描速度可以提高生产速度。

  在液体中进行激光烧蚀的一个特殊优势是,纳米颗粒表面在烧蚀期间是带电的,而胶体在静电中是稳定的,无需稳定剂,例如在化学合成方法中广泛使用的柠檬酸。这是特别有利的,因为在对纳米颗粒的表面进行生物功能基化时,金的表面更容易与其他试剂发生反应。图6显示了各种材料的胶体,包括贵金属、金属合金和有机物,所有这些都是用超快脉冲激光在液体中进行烧蚀而制成的。

材料微加工领域的利器:超快光纤激光器  第5张

  总结

  超快光纤激光器正逐渐成为材料微加工领域的一柄利器。除了超短脉冲持续时间,还有光纤激光体系结构提供的MHz范围内的高重复频率和脉冲串模式,这些都有助于实现更为精确的热量控制和较高的处理速度。

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