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平頂光束整形器在激光加工與材料處理方向上的應(yīng)用

發(fā)布時間:2020-04-03 來源:元祿光電

激光加工與材料處理無疑是激光器最大的應(yīng)用領(lǐng)域之一。近年來在傳統(tǒng)的切割、焊接、打標(biāo)的基礎(chǔ)上,越來越多的新激光加工處理工藝被開發(fā)出來并迅速在業(yè)界推廣。不同種類的工藝使用各種波長、強(qiáng)度、脈沖寬度的激光,也對光斑形貌、分布、景深等提出豐富的要求。

 

DOE在針對特定激光加工處理應(yīng)用的光斑優(yōu)化中扮演核心角色。通常采用DOE可以從兩方面優(yōu)化激光加工處理的效果:倍增處理速率和產(chǎn)率;提升處理精度,如邊緣整齊度、熱影響區(qū)域、處理效率等。

 

激光刻蝕與構(gòu)造

激光刻蝕是指通過激光輻照從材料(通常是固體)表面去除材料。激光刻蝕通常采用小區(qū)域高能量脈沖實(shí)現(xiàn)。激光刻蝕具有多種用途,如納米材料制備,金屬或介電薄膜沉積,超導(dǎo)結(jié)構(gòu)制備,金屬部件常規(guī)焊接與邦定,MEMS結(jié)構(gòu)加工等。

 

采用平頂發(fā)生器或渦旋位相板可以產(chǎn)生邊界銳利的光斑構(gòu)型,在溶蝕過程中確保精確的材料移除范圍。多焦點(diǎn)分束器可以實(shí)現(xiàn)并行處理,提升產(chǎn)率。

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激光溶蝕(上)與表面構(gòu)型(下)

 

激光焊接

采用激光可將多個金屬或塑料機(jī)件連接在一起。激光光束提供一個集中的熱源,實(shí)現(xiàn)高速率、大深度、窄縫寬焊接。激光焊接通常在大規(guī)模制造中自動化進(jìn)行。與切割技術(shù)協(xié)同,激光焊接可用于多種焊接類型(點(diǎn)焊,直/曲線焊,釬焊等)。

 

能量分布均勻的激光有助于焊接溫度的均勻分布,生成高質(zhì)量焊縫。采用分束器產(chǎn)生的多焦點(diǎn)焊接,可提升加工速率。

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激光焊接(左)與平頂光斑(右)

 

激光釬焊

在釬焊過程中,激光燒熔焊條并將兩塊金屬焊接在一起,這種工藝廣泛使用在汽車工業(yè)中。如果被焊接金屬在焊條熔融之前被清潔、預(yù)熱,將能提升焊接效果。

 

專門為這種工藝訂制的勻化器,可以在主焊的平頂光斑前端兩側(cè)產(chǎn)生兩個小光斑用于待焊金屬的清洗和加熱,提升釬焊的強(qiáng)度和焊縫的整潔度。

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激光釬焊(左)與訂制光斑(右)

 

激光微孔

激光微孔加工是指利用激光在薄料上打小孔,通常用于薄片或薄膜,如銅箔、鋁箔、香煙卷紙、食品包裝紙(延長保質(zhì)期和新鮮度)。這類應(yīng)用需要精密的、等間距的微孔。

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食品包裝紙微孔(左)與多點(diǎn)光斑

金屬及玻璃切割

激光切割通過將高功率激光引導(dǎo)并聚焦到工件表面,通過運(yùn)動機(jī)構(gòu)掃描并按指定路線切割工件。激光切割為工業(yè)制造的重要手段;常常需要在不使用長焦透鏡的情況下延長焦點(diǎn)的焦深,以減少切割區(qū)域的崩邊、熔邊,提升切割質(zhì)量。

 

金屬切割利用激光聚焦產(chǎn)生的局部熱量加熱材料,達(dá)到熔點(diǎn)以切斷樣品。融化的金屬被氣流帶走。

 

玻璃切割通常使用紅外波段的高功率激光器。因?yàn)椴A蛰^低,因此需要更高功率的激光;使用DOE可拉長焦深,使得能量在玻璃的內(nèi)部沉積,實(shí)現(xiàn)單次切割,而不需要調(diào)整焦點(diǎn)位置后再次掃描。這種方式對于隱裂切割特別有用,局部受熱使得切縫變脆而不是熔融,后續(xù)可用機(jī)械方式沿切縫分離。

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金屬切割與環(huán)形光斑(上),玻璃切割與貝塞爾焦斑(下)

 

鉆孔

激光鉆孔利用聚焦的重復(fù)脈沖激光器汽化金屬,形成通孔。脈沖能量越大則汽化的金屬越多。作為激光加工領(lǐng)域主流應(yīng)用之一,多年來發(fā)展了各種打孔技術(shù):單脈沖,叩擊,旋轉(zhuǎn)打孔,螺旋打孔等。激光打孔在多種場景應(yīng)用,包括橡膠、硅襯底等。

 

配合打能量激光器,分束(多點(diǎn))DOE可用于提升鉆孔產(chǎn)率;平頂型光斑有利于提升孔壁的垂直度和邊緣銳度;渦旋濾光片可用于環(huán)形孔。

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激光鉆孔工藝(左),金屬管打孔(右)

 

激光剝離

激光剝離(Laser Lift Off,LLO)是一種選擇性的分離兩種材料的技術(shù)。激光投射到襯底與鍍層材料(如藍(lán)寶石襯底上的GaN)中間的粘結(jié)層上。激光剝離可以處理大尺寸器件并達(dá)到要求的精度與可重復(fù)性。因此,激光玻璃在LED工業(yè)中剝離發(fā)光薄膜中廣泛使用,同時也用于顯示、移動終端等制程。

 

LeanLine?為專門為LLO開發(fā)的DOE,將圓形多模光斑變換成為細(xì)線分布,適用于紫外及綠色激光(343,355,532nm)。這種解決方案基于專有的衍射光學(xué)光束成型技術(shù),可以很容易的擴(kuò)展至任意波長(193nm - 1600nm)。采用這種方案,用戶可以使用成本較低的多模激光器實(shí)現(xiàn)高功率密度的線光源。

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LeanLine?線聚焦(左)與柔性材料剝離(右)

 

表面處理(硬化與熔覆)

激光表面處理的原理基于高功率密度的相關(guān)激光與表面在特定氣氛(真空,保護(hù)氣,過程氣)下的相互作用導(dǎo)致的表面改性。典型的應(yīng)用包括表面硬化與表面熔覆。

 

表面硬化是一種熱處理,通過將材料在短時間內(nèi)加熱至臨界溫度以上并迅速冷卻,金屬晶格將不能恢復(fù)初始結(jié)構(gòu)并達(dá)到很高的硬度。

 

表面熔覆是另一種熱處理過程。元件表面被加熱至熔點(diǎn),熔融物固化并結(jié)晶,而其化學(xué)成份不便。

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激光熱處理

 


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