來源：前沿數(shù)控技術(shù)

　　大家對激光加工并不陌生，但你對經(jīng)常能聽到的納秒激光、皮秒激光、飛秒激光等，你是否能分得清呢？

 

　　▌ 我們先來搞清楚時間單位換算

　　1ms (毫秒)=0.001秒=10-3秒

　　1μs (微秒)=0.000001=10-6秒

　　1ns (納秒)=0.0000000001秒=10-9秒

　　1ps (皮秒)=0.0000000000001秒=10-12秒

　　1fs (飛秒)=0.000000000000001秒=10-15秒

　　搞清楚了時間單位，我們就知道了飛秒激光是一種極其超短脈沖的激光加工。近十年來，超短脈沖激光加工技術(shù)取得突飛猛進的發(fā)展。

　　▌ 超短脈沖激光的意義

　　人們很早就嘗試?yán)眉す膺M行微加工。但是由于激光的長脈沖寬度和低激光強度造成材料熔化并持續(xù)蒸發(fā)，雖然激光束可以被聚焦成很小的光斑，但是對材料的熱沖擊依然很大，限制了加工的精度。唯有減少熱影響才能提高加工質(zhì)量。

　　當(dāng)激光以皮秒量級的脈沖時間作用到材料上時，加工效果會發(fā)生顯著變化。隨著脈沖能量急劇上升，高功率密度足以剝離外層電子。由于激光與材料相互作用的時間很短，離子在將能量傳遞到周圍材料之前就已經(jīng)從材料表面被燒蝕掉了，不會給周圍的材料帶來熱影響，因此也被稱為“冷加工”。憑借冷加工帶來的優(yōu)勢，短與超短脈沖激光器進入到工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用當(dāng)中。

　　

　　激光加工：長脈沖 VS 超短脈沖

　　超短脈沖加工能量極快地注入很小的作用區(qū)域，瞬間高能量密度沉積使電子吸收和運動方式發(fā)生變化，避免了激光線性吸收、能量轉(zhuǎn)移和擴散等影響，從根本上改變了激光與物質(zhì)相互作用機制。

　　

　　長脈沖激光加工后的部位

　　

　　超快激光脈沖加工后的部位

　　▌ 激光加工的廣泛應(yīng)用

　　激光加工包含高功率切割、焊接；微加工之鉆孔、劃線、切割、紋理、剝除、隔離等，各種激光加工手段的主要用途有：

　　

　　1. 鉆孔

　　電路板設(shè)計中人們開始用陶瓷基底代替常規(guī)的塑料基底以實現(xiàn)更好的導(dǎo)熱效果。為了連接電子元件，一般需要在板上鉆高達數(shù)十萬個μm級的小孔。因此保證基底的穩(wěn)定性不會受到鉆孔過程時熱輸入的影響就變得十分重要，皮秒激光正是這個應(yīng)用的理想工具。

　　皮秒激光能以沖擊鉆探的方式完成孔的加工，并保證孔的均勻性。除了電路板，皮秒激光還可以對塑料薄膜、半導(dǎo)體、金屬膜和藍寶石等材料進行高質(zhì)量鉆孔。

　　100μm不銹鋼薄片，鉆孔，3.3ns vs 200fs ，1萬個脈沖，燒蝕閾值附近：

　　

　　2. 劃線，切割

　　通過掃描的方式疊加激光脈沖可以形成線。通常要通過大量的掃描可以深入到陶瓷內(nèi)部，直到線的深度達到材料厚度的 1/6。然后沿著這些刻線從陶瓷基底上分離單個模塊。這種分離方法叫做劃線。

　　另一種分離方法是使用超短脈沖激光燒蝕切割，也稱為消融切割。激光對材料進行燒蝕，去除材料直到它被切透。這個技術(shù)的好處是加工的孔的形狀和尺寸具有較大的靈活性。所有的工藝步驟可以通過一臺皮秒激光器完成。

　　皮秒激光和納秒激光在聚碳酸酯材料上進行劃線加工的不同效果。

　　

　　3. 線燒蝕（去除鍍層）

　　另外一種經(jīng)常被視作微加工的應(yīng)用是在不損害或輕微損害基底材料的情況下精確去除涂層。燒蝕既可以是幾微米寬的線，也可以是幾平方厘米的大面積去除。

　　由于涂層的厚度通常遠小于燒蝕的寬度，以至于熱量不能在側(cè)面?zhèn)鲗?dǎo)。因此可以使用納秒級脈沖寬度的激光。

　　高平均功率激光、方形或矩形傳導(dǎo)光纖、平頂光強分布，這幾項技術(shù)的結(jié)合使得激光面燒蝕得以在工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。例如：使用通快公司的 TruMicro 7060 激光器去除薄膜太陽電池玻璃上的涂層。同樣的激光器也可以應(yīng)用在汽車工業(yè)中對抗腐蝕涂層進行去除，為后續(xù)焊接做準(zhǔn)備。

　　

　　4. 表面結(jié)構(gòu)化

　　結(jié)構(gòu)化可以改變材料表面的物理特性。根據(jù)荷花效應(yīng)，疏水性表面結(jié)構(gòu)讓水從表面流掉。用超短脈沖激光器在表面創(chuàng)造亞微米結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)這個特性，并可以通過改變激光參數(shù)對所要創(chuàng)造的結(jié)構(gòu)進行精確控制。

　　相反的效果，例如親水性表面，同樣可以實現(xiàn)，而且微加工還可以創(chuàng)造更大尺寸的結(jié)構(gòu)。這些工藝可以用于發(fā)動機中的油箱來制造一些降低磨損的微結(jié)構(gòu)，或者在金屬表面結(jié)構(gòu)化實現(xiàn)與塑料的焊接。

　　

　　5. 雕刻成型

　　雕刻成型是通過燒蝕材料創(chuàng)造三維形狀。盡管燒蝕的尺寸可能會超過傳統(tǒng)意義上所說的微加工的范疇，但是它所需的精度還是使它被劃分到這類激光應(yīng)用領(lǐng)域。皮秒激光可以用于加工銑床的多晶金剛石刀具邊緣。

　　激光是加工多晶金剛石的理想工具，多晶金剛石是可以制作銑刀刀刃的極為堅硬的材料。使用雕刻成型技術(shù)來加工銑刀的切屑槽和齒，這種情形下激光的好處是非接觸和高加工精度。

　　微加工具有非常廣闊的應(yīng)用前景，越來越多的生活用品正通過激光微加工進入我們的視野。

　　

　　激光加工屬于無接觸式加工，具有后續(xù)工藝少，可控性好、易于集成，加工效率高、材料損耗小，環(huán)境污染低等顯著優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于汽車、電子、電器、航空、冶金、機械制造等行業(yè)，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、勞動生產(chǎn)率、自動化程度、減少材料消耗等起到愈來愈重要的作用。