來源：前沿數(shù)控技術

　　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

　　人們很早就嘗試利用激光進行微加工。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量。

　　當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)應用當中。

　　

　　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、能量轉移和擴散等影響，從根本上改變了激光與物質相互作用機制。

　　

　　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、半導體、金屬膜和藍寶石等材料進行高質量鉆孔。

　　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面?zhèn)鲗?。因此可以使用納秒級脈沖寬度的激光。

　　高平均功率激光、方形或矩形傳導光纖、平頂光強分布，這幾項技術的結合使得激光面燒蝕得以在工業(yè)領域得到應用。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)焊接做準備。

　　

　　4. 表面結構化

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

　　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)造更大尺寸的結構。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構，或者在金屬表面結構化實現(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用領域。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。