武汉华锐超快光纤激光技术有限公司——先进超快光纤激光器专业制造商


News Center

技术 | 飞秒激光器的工业应用
来源: | 作者:huaraylaser | 发布时间 :2020-01-16 | 414 次浏览: | 分享到:
  从一家大型汽车制造商的生产线上下线的汽车发动机活塞;该活塞已经过飞秒激光处理,以提升发动机性能。

  
  2018年诺贝尔物理学奖授予Arthur Ashkin、Gérard Mourou和Donna Strickland,以表彰他们在激光物理学领域的突破性发明。特别是,Mourou和Strickland因其产生高强度超短光脉冲的方法而获得诺贝尔奖。该方法通常称为啁啾脉冲放大(CPA;见图1)。该奖项不仅是为了表彰科学界对CPA革新性的承认,也是因为它对激光产业产生的影响。目前,CPA是产生飞秒脉冲的主要手段。
  
  业界对产生和使用越来越短、越来越强的激光脉冲的兴趣一直很高。然而,现实中也存在一种物理障碍,阻止这种脉冲在固态放大器和光纤中被高度放大。随着脉冲的变短和峰值功率的增加,出现的光学非线性问题限制了在材料中传输的峰值光功率。由光学非线性效应引起的相干光散射降低了放大器的效率,并且导致其他不良后果。然而,更重要的是,强激光脉冲的高峰值功率,达到了放大器系统中元件的材料损伤阈值。
  
  CPA通过使用长的光纤或一对衍射光栅,在放大之前展宽激光脉冲来绕过这些限制(见图1)。在对展宽的脉冲进行放大之后(远低于放大器元件的光学损伤阈值)排布了一个光栅对,使得脉冲长波部分的光程比短波部分的光程短,从而逆转早期的脉冲展宽。这一概念提供了一种产生高能量超快激光脉冲的方法,开辟了许多科学应用以及随后的工业应用。

  
  图1:Strickland和Mourou在1985年发表的CPA系统示意图。Ultrashort pulse, low energy 超短脉冲,低能量;Chirped pulse, low energy 啁啾脉冲,低能量;Chirped pulse, high energy 啁啾脉冲,高能量;Seed oscillator 注入种子光的谐振腔;Stretcher 展宽器;Amplifier 放大器;Ultrashort pulse, high energy 超短脉冲,高能量;Compressor 压缩器。
  
  背 景
  
  20世纪90年代早期,钛宝石(Ti:sapphire)激光器是研究市场的流行工具。其宽可调带宽、短脉冲和高能量,使得研究许多新颖的应用成为可能。多光子成像一直是受益于此能力的成功应用之一。
  
  尽管取得了这些成就,但这种早期技术由于其规模和复杂性而未能在商业上广泛部署。随着光通信的发展,基于光纤的飞秒激光技术得到了长足的改进,部分地克服了钛宝石激光器的缺点;但由于仍然存在功率和脉冲能量低的问题,因此取得的成功是有限的。最后,CPA技术与光纤激光器的发展相结合,实现了前所未有的市场应用和机会。
  
  由于CPA的发明是公开的,许多学术和商业组织将这一概念运用于惊人的应用中,并且受益良多。1999年,美国加州理工学院的Ahmed Zewail因使用飞秒光谱学研究化学反应的过渡态而获得了诺贝尔化学奖。
  
  飞秒激光在非学术领域的首次大规模应用是在眼科领域。高强度飞秒脉冲,是在没有热损伤的情况下分离透明生物组织的理想工具。在用准分子激光器重塑角膜基质之前,通过飞秒激光产生角膜瓣,已经在视力矫正方面实现了商业化。
  
  今天,全飞秒激光角膜视力矫正已成为可能。基于光纤的CPA(FCPA)已被证明是这种先进眼科应用的理想选择,因为它的可靠性支撑了光学性能。
  
  21世纪初期的经济放缓,为几项新技术的发展开辟了道路。其中最重要的是人们对高功率激光光源的兴趣,激发了对包层泵浦光纤放大器和高功率固态激光器的兴趣。这些发展的早期应用包括元件和仪器测试,以及国防相关应用的材料损伤分析。
  
  与此同时,在材料加工领域,皮秒脉冲激光器被认为是优于纳秒激光器的新工具。皮秒脉冲的使用减少了材料的热损伤,从而使激光能够更广泛地渗透到制造业领域,例如用于打标、钻孔和切割。
  
  尽管如此,由于飞秒激光技术的特性及其对材料加工的显著改进,使得飞秒激光器在许多应用中已经成为“必须”的工具。IMRA America公司在2002年首次生产出用于材料加工的微焦量级的商业化飞秒FCPA激光器。[2]基于光纤技术,FCPA成为构建高峰值功率、高平均功率和高脉冲能量飞秒激光器的常用手段。
  
  大体上说,飞秒脉冲激光器对热影响区(HAZ)减少的水平,是其他激光器无法比拟的。接近手术水平地将能量输送到工件,为FCPA在精密消费电子零件制造(包括显示器行业)领域的应用打开了大门。
  
  飞秒激光器在切割硅晶圆方面的应用一直备受关注,因为飞秒激光脉冲的高峰值功率,可用于消融硅晶圆和其他沉积在硅晶圆表面的材料,并且对相邻组件的影响或热损伤最小。通常,这些硅晶圆预先配置了切割通道。这些通道也用于芯片分割之前的探测和测试。因此,切割通道填充有传感器和探测点。在这种情况下,飞秒光束用于去除那些附加的表面层,同时支持硅晶圆的隐形切割。由于飞秒激光脉冲在坚硬、透明蓝宝石衬底中独特的强非线性吸收,飞秒激光器也是从蓝宝石晶圆中分离出高亮度LED芯片的理想选择。
  
  1、玻 璃 加 工
  
  一直以来,消费电子行业切割和加工玻璃的主要方法都是机械方法。然而,使用飞秒脉冲激光加工玻璃的应用正在兴起。通孔钻孔是一个例子,利用飞秒光束辐照玻璃,引起折射率变化。然后在酸浴中刻蚀玻璃,去除被辐照区域。这些零件用于多芯片平台,产生高密度和快速芯片连接结构,使得垂直集成IC成为可能。
  
  另一种应用是在玻璃上刻图和去除薄膜,就像对导电氧化铟锡(ITO)薄膜、电致变色薄膜和其他薄膜所做的处理一样。
  
  玻璃焊接也是一个感兴趣的话题,因为它不使用粘合剂或填料。这一点对于微电子封装行业非常重要,因为它消除了内部污染和除气的问题,并且省去了吸气剂的使用(专门添加的物质用于吸收这些不需要的物质)。在这个过程中,两个玻璃零件光学接触,并暴露于飞秒激光束中:飞秒脉冲的高峰值功率在玻璃中引起多光子吸收,局部熔化玻璃,以此将两个零件焊接在一起,并产生持久的气密封(见图2)。
  
  图2:从顶部看到,两个玻璃基板已经通过飞秒激光焊接,留下四条由光学条纹包围的垂直焊接线;插图所示为其中一条线的特写,表明焊缝宽度为100μm。

  
  2、汽 车 行 业
  
  飞秒脉冲激光在制造业的应用将持续发展和扩张。由于汽车行业需要高稳定性、高可靠性以及创新性,因此飞秒脉冲激光备受汽车行业的关注。例如,目前飞秒激光器已经用于发动机零件(包括活塞)的大批量处理(见图3)。
  

  图3:一家主流汽车制造商生产的飞秒激光纹理加工的活塞;表面纹理应用于裙边区域,以减少摩擦,提升润滑功能。
  
  提高汽车燃油经济性的努力,正在推动减轻车辆重量和提高运行效率方面的工作。发动机由更轻的铝合金制成,而表面纹理和排线被应用于移动部件,以减少摩擦同时提高耐久性。这些合金的使用,迫切需要减少磨损和延长使用寿命的工程解决方案。与其他技术相比,例如机械刻划表面、长脉冲激光打标,或者表面喷丸处理,飞秒激光交叉排线能够有效地扩散相关油膜,并且显著改善油保留。
  
  这种纹理通常应用于活塞的裙部区域,经历大部分接触,结果表明在2000rpm的转速时,可减少高达25%的摩擦。飞秒激光器的使用还避免了划线区域毛刺的形成,从而省去了对去毛刺工艺的需求,进一步提高了制造效率。
  
  FCPA在从医疗到汽车等各个市场领域的商业化,一直是可靠和创新产品工程的驱动力。特定应用的可靠性、激光行业测试标准和测试协议的发展相结合,使得飞秒激光在要求严苛的应用中实现不间断运行成为可能。
  
  参考文献
  
  1. D. Strickland and G. Mourou, Opt. Commun., 56, 3, 219 (Dec. 1, 1985).
  
  2. See http://bit.ly/femtosecondref2.