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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用領域之一。近年來在傳統(tǒng)的切割、焊接、打標的基礎上，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，超導結構制備，金屬部件常規(guī)焊接與邦定，MEMS結構加工等。

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

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激光溶蝕（上）與表面構型（下）

激光焊接

采用激光可將多個金屬或塑料機件連接在一起。激光光束提供一個集中的熱源，實現(xiàn)高速率、大深度、窄縫寬焊接。激光焊接通常在大規(guī)模制造中自動化進行。與切割技術協(xié)同，激光焊接可用于多種焊接類型（點焊，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，生成高質量焊縫。采用分束器產生的多焦點焊接，可提升加工速率。

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產生兩個小光斑用于待焊金屬的清洗和加熱，提升釬焊的強度和焊縫的整潔度。

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（延長保質期和新鮮度）。這類應用需要精密的、等間距的微孔。

食品包裝紙微孔（左）與多點光斑

金屬及玻璃切割

激光切割通過將高功率激光引導并聚焦到工件表面，通過運動機構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的焦深，以減少切割區(qū)域的崩邊、熔邊，提升切割質量。

金屬切割利用激光聚焦產生的局部熱量加熱材料，達到熔點以切斷樣品。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。因為玻璃吸收較低，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部沉積，實現(xiàn)單次切割，而不需要調整焦點位置后再次掃描。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)可用機械方式沿切縫分離。

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。作為激光加工領域主流應用之一，多年來發(fā)展了各種打孔技術：單脈沖，叩擊，旋轉打孔，螺旋打孔等。激光打孔在多種場景應用，包括橡膠、硅襯底等。

配合打能量激光器，分束（多點）DOE可用于提升鉆孔產率；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。

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。激光投射到襯底與鍍層材料（如藍寶石襯底上的GaN）中間的粘結層上。激光剝離可以處理大尺寸器件并達到要求的精度與可重復性。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光束成型技術，可以很容易的擴展至任意波長（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現(xiàn)高功率密度的線光源。