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亚纳秒激光器应用于硬脆材料微加工

2021.06.07 128

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非金属硬脆材料包括各种宝石、玻璃、硅晶体、石英晶体、陶瓷、稀土磁材等,这些材料大多为非导电体或半导体,通常具有高硬度、高脆性、高耐磨性、高抗蚀性、高抗氧化性、耐高温等性能。由于非金属硬脆材料具有许多金属材料难以比拟的优良特性,其应用范围已从传统的建筑业、工艺品制造业逐步扩展到航天、机械、汽车、电子、化工等领域。非金属硬脆材料应用领域的不断拓宽和对其进行加工时的低效率、高成本的矛盾正日益突出,导致目前传统的加工方法并不能适应诸多工业需求。激光的能量密度高达108~1010W/cm2,直接作用于非金属硬脆材料局部表面,产生的瞬时能量产生高温融化材料或直接破坏材料的分子键。与传统加工方式相比,效率提升8~20倍,节省材料20%~30%,可以大大降低生产成本,提升加工精度和产品质量,还具有能缩短生产周期、可进行选择性加工和精密加工等优点。
 
传统的硬脆材料加工所用的激光器为纳秒激光器,脉宽普遍在5ns以上,体积庞大,对环境要求高,稳定性差,且热效应较大,对于很多材料的加工效果并不理想。此外,皮秒、飞秒激光器在微加工性能虽然较好,但价格昂贵,体积庞大。
 
图1 各类激光器在硬脆材料微加工应用的特性比较
 
高功率、高重频的亚纳秒激光器是一类高性价比的准超快激光器,兼具皮秒激光器的加工精度和普通纳秒激光器的价格优势,在精密微加工领域有着广阔的应用前景,倍受工业客户的青睐。
 

原理简介

 
硬脆材料微加工通常由激光器、CCD相机,激光准直聚焦及成像光学系统、振镜控制系统或多维移动旋转平台、输入/输出控制模块、计算机及控制软件组成。利用激光高能量特性,通过光子与材料的相互作用实现对材料的打标、打孔、划线、切割、内雕等加工;因其具有高效率、高精度、非接触式等优点,广泛应用于微电子、微机械和微光学加工等领域。
图2 微加工系统示意图
 

应用市场

 
硬脆材料按照材料应用种类,可大致分为:半导体材料微加工、陶瓷材料微加工、钻石及宝石打标与划线、透明材料微加工(钢化玻璃,蓝宝石玻璃等)、薄膜类材料消融、透明导电氧化物及电介质消融等。按照加工类型和行业模型,可按如下项目分类:
 

杏林睿光

产品和服务

 
北京杏林睿光科技有限公司成立十余年来一直专注于激光器与激光应用系统的自主研发和产业化,同时肩负为光电产业培养优秀工程人才的使命,已经为分析仪器、医疗美容、雷达测距、激光加工和科研教学等多个领域的客户提供了诸多具有创新性和竞争力的产品。
 
杏林睿光针对硬脆材料的微加工应用,提供一系列高峰值功率、高重复频率和高可靠性的小型化脉冲激光器。同时,可为用户提供硬脆材料微加工所必须的控制系统、光路设计、电路设计及其它配套服务。
图3 激光器及波形、光斑图
 
 

杏林睿光

方案优势

 
● 可提供多波长、多类别激光器:产品涉及MC系列被动调Q亚纳秒微片激光器和AQ系列主动调Q窄脉宽激光器,波长1064nm、532nm、355nm、266nm,脉宽300ps~2ns可选;
 
● 激光器焊接封装、紧凑可靠;
 
● 适应0-50℃的宽温工作;
 
● 可定制OEM激光驱动电路;
 
● 可提供控制系统、光路设计等配套服务。
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