材料微加工領域的利器:超快光纖激光器

 過去十年中,超快光纖激光器技術在總功率、脈衝和光束質量、易用性和穩健性等方麵取得了長足的進步。因此,超快光纖激光器開始應用於多個製造行業中對材料進行高效、高精度的加工。本文章總結了最近用高脈衝重複頻率的超快光纖激光器進行材料微加工的幾項研究進展。特別有趣的是,在一些其他的材料研究中,幾種激光加工的材料被發現了新的特性和功能,這導致超快光纖激光器不僅被當作一種強大的材料成型工具,同時也有可能成為一種有效的材料製備工具。

  玻璃和塑料焊接

  對於大部分精密的材料加工應用來說,在工件中產生的多餘熱量是不需要的。然而,對於透明材料的微焊來說,精密控製的熱量積蓄對於融化材料並形成焊縫非常關鍵。聚焦的超短脈衝的高強度會引起透明材料中的非線性吸收,因此隻會在兩種材料的接觸麵上激光焦點周圍很小的區域內產生大量的熱量。每一個激光脈衝都會產生很少的熱量,如果焦點區域在下一個脈衝來之前就冷卻下來,那麽這個熱量也就可忽略不計。如果脈衝之間的空間重疊以及脈衝重複頻率足夠高(數百kHz及以上),熱量將迅速地在這一區域積累並引起材料熔化。可以通過改變重複頻率及光束掃描速度來精確地控製熔化的量。這一技術已經在玻璃和塑料焊接上得到了應用。圖1展示了兩塊玻璃之間焊接麵的截麵。這種無需密封的高速、精確的焊接有許多好處,例如在製造太陽能電池板時麵板邊緣需要密封,目前要用專門設計的密封膠和熱熔係統來完成。

  “脈衝串模式”脈衝激光沉積脈衝微光切割你了解多少?

  脈衝激光沉積製造薄膜技術已經廣泛應用於新材料開發的基礎研究中。大功率納秒脈衝激光燒蝕往往會在等離子體羽輝(羽毛狀的發光團)中形成大的熔滴,這會影響薄膜質量。有許多機械和電子的方法可以控製燒蝕的羽輝來補救熔滴的問題。高重複頻率的超快光纖激光器提供了一種替代解決方案。特別是將激光脈衝集合在一起形成一個脈衝串(bursts),每個脈衝串包含數個單獨的脈衝,這可以實現更為精確的熱量控製,讓靶標物直接氣化而不會形成大的熔滴。

  光纖激光體係可以直接從激光光源快速地輸出脈衝串,稱為脈衝串模式。例如,如圖2(a)所示,在進入放大階段之前,可以用聲光調製器從50MHz的振蕩器中篩選種子脈衝,最後輸出的是由多級脈衝組成的脈衝串,而且相鄰脈衝的間隔為20納秒。20納秒的脈衝間隔非常短,可以引起多重累積效應,包括靶標物的熱量以及燒蝕羽輝和緊隨其後的激光脈衝間的熱量,最終這將可以優化薄膜質量。圖2(b)展示了用這種方法沉積的TiO2薄膜。如圖中的透射電子顯微鏡圖(TEM)所示,薄膜的質量非常高,薄膜表麵達到了原子級別的平滑程度,薄膜和基質間的界麵也很平滑。用光學顯微鏡觀察100毫米的區域也沒有發現大的熔滴。

  表麵微造型

  作為一種替代性的表麵處理方法,與傳統的噴砂法和化學腐蝕法相比,激光表麵微造型技術(LST)可以通過其具有的高精度和預設計的方式來改進摩擦學性能。另一方麵,眾所周知,幾十年來激光燒蝕也可以在包括亞波長至幾百納米尺度範圍的固體表麵上製作規則的圖案。這種成型方法通常可以用表麵散射波和激光光束間的耦合幹擾來解釋。在實踐中,這種現象在接近燒蝕閥值時最為突出。考慮到幹擾的性質,可以通過改變激光偏振來控製圖案的定位。然而,這種有趣的現象並沒有得到廣泛的應用。

  在最近的研究中,鼎博六合發現在某些條件下激光造型的金屬表麵會變得高度疏水(它們排斥水)。圖3(a-b)顯示了用線偏振和圓偏振製成的激光誘導線形和顆粒形表麵的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。圖3(c)顯示了不鏽鋼表麵的激光圖案上的水滴的影圖。水滴的銳角小於30°,這表明金屬表麵是高疏水性的,這使得有可能形成由多孔的固體和困於其中的空氣組成的複合表麵,從而將與水接觸的麵積最小化。

  當可以用高重複頻率的超短脈衝激光器和機器人來處理大麵積、超疏水的金屬表麵時,可以用這種技術來生產大型戶外設備,例如具有防覆冰表麵的風力機葉片。行業現在仍在尋找一種有效的方法,目前比較成功的光刻法仍然局限於研究實驗室中,而且價格昂貴。

  透明介質上的激光打印

  脈衝激光沉積的一種特殊變體是激光誘導反向轉移(LIBT)技術,可以應用於高分辨率的激光直寫。這項技術是用激光光束穿過透明的基質來燒蝕附近的靶標物。激光誘導蒸汽被反向推動到透明的基質上進行沉澱。LIBT技術在激光領域有著廣泛的應用。將超快光纖激光器用於這項技術,鼎博六合可以進行廣泛、連續的灰度範圍內的圖像打印,這隻能在MHz級別的高重複頻率下實現。圖4(a)展示了這一體係。計算機控製的光束掃描儀根據原始圖像的灰度級別來改變光束掃描速度。高重複頻率會產生多脈衝的空間重疊,相應的沉積量也會累積,從而渲染出連續灰度的視覺效果。

 

  這種技術可以擴展打印材料的附加功能。圖5 是一個打印熒光文字的例子,靶標物由磷粉組成。圖5(a)顯示了打印的文字在房間內的燈光下呈半透明。圖5(b)顯示了用紫外線照射同樣的文字, 靶標物的磷粉發出明亮的橙色熒光。這個示例說明超短脈衝激光燒蝕不是一個破壞性的過程, 並沒有破壞材料, 通過激光燒蝕可以保留靶標物的某些功能特性。

  金、銀和磁性材料的納米顆粒納米級別微型3D激光打標機在生物醫學科學領域有著許多潛在的應用價值,包括基於納米顆粒的免疫學測定、藥物靶向輸送、溫熱療法和醫療圖像增強等等。標準的納米顆粒膠體合成方法是用化學方法減少液體溶劑中的金屬前體,用表麵活性劑來穩定顆粒,阻止其聚合。這有可能會產生雜質,對於生物應用來說是不夠理想的。在液體中使用激光燒蝕是一種物理方法,可以生產高純度的金屬納米顆粒膠體。在實際應用中,靶標物(例如一塊金片)放在一種液體溶劑(例如水)中。激光光束聚焦在靶標物的表麵進行燒蝕,同時在液體溶劑中也會產生納米顆粒。考慮到獨特的固液相變過程,應首選飛秒脈衝來形成納米顆粒。較高的重複頻率和光束掃描速度可以提高生產速度。

  在液體中進行激光燒蝕的一個特殊優勢是,納米顆粒表麵在燒蝕期間是帶電的,而膠體在靜電中是穩定的,無需穩定劑,例如在化學合成方法中廣泛使用的檸檬酸。這是特別有利的,因為在對納米顆粒的表麵進行生物功能基化時,金的表麵更容易與其他試劑發生反應。圖6顯示了各種材料的膠體,包括貴金屬、金屬合金和有機物,所有這些都是用超快脈衝激光在液體中進行燒蝕而製成的。

  總結

  超快光纖激光器正逐漸成為材料微加工領域的一柄利器。除了超短脈衝持續時間,還有光纖激光體係結構提供的MHz範圍內的高重複頻率和脈衝串模式,這些都有助於實現更為精確的熱量控製和較高的處理速度。

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