光纤激光器在微加工中的应用分析
如今，激光工艺已广泛应用于制造业，比如金属的切割与焊接，其中一个重要领域就是激光微制造或是激光微加工。这里的“微”指的是基板厚度不足1毫米，尺寸测量精确至微米。与传统的大规模生产应用，比如机扑焊接或是钣金切割相比，进行微加工时所需用到的设备及工艺则更强调精确度以及严谨的进程控制。由于这些应用往往对热能很敏感，对精确度有极高的要求，所以，所选激光器的类型、规格、光学系统及硬件配置对于稳定的规模生产而言至关重要。
激光器的选择取决于诸多因素，其中包括材料属性、加工形状、进程容差、所需产能等等。新型光纤激光器需要在降低成本的同时，提供改良的、更加灵活的激光源。
棒式固态激光器有一个致命缺陷，即热透镜效应会导致平均功率受限。IPG推出的准连续掺镱光纤激光器（QCW），具有高亮度/光束质量、高脉冲能量、高峰值功率及高平均功率，已成为替代照射棒或二极管泵浦固态激光器的理想选择。这种风冷、紧凑型激光器，电光转换效率超过30%，全程免维护，输出波长1070nm，毫秒级“长脉冲”。另有“连续模式”可选。
如果需要更短的脉冲（纳秒级或是更短），用户也有一系列覆盖多波长、多脉冲能量、多平均功率/峰值功率的光纤激光器可供选择。除了已有的1064nm 近红外Q开关光纤激光器之外，还有新一代绿光（输出波长为532nm）光纤激光器。IPG推出的脉冲型绿光光纤激光器的主要特点为峰值功率高，平均输出功率可达50W，脉冲周期恒定为1ns， 频率10到300kHz。光纤的脉冲能量和/ 或重复频率可根据需要调整，不影响输出光束的参数，M2 < 1.2，与传统的激光器相比更高效、更紧凑，成本也更低。
虽然IPG光子有从紫外线到中红外等一系列激光器， 但是本文将重在讨论准连续光纤激光器及脉冲型绿光光纤激光器。接下来我们将通过实例研究这两种激光器的工艺特点，探讨其在规模生产中的应用。
关于准连续光纤激光器，我们主要观察了其在氧化铝、氮化铝、蓝宝石等陶瓷土中的应用结果。氧化铝（多晶Al203）和氮化铝（AlN）被公认为是超级导热材料，广泛用于各行各业， 如LED、RF、微波封装等。在这些行业中，钻孔速度与成型速度将直接影响生产成本。另一方面，单晶Al2O3， 也就是我们通常所说的蓝宝石，硬度特别高，仅次于钻石。与传统的光学玻璃相比，蓝宝石不仅更坚固，更耐划，而且光传输从紫外线到近红外， 导热性能也极佳。蓝宝石作为一种能够通过MOCVD扩大光发射外延层的材料，已大量应用于LED行业。在过去几年里，蓝宝石的应用随着LED行业的发展出现了井喷式的增长，如背景照明，近年来更逐步推进至一般照明。另一个增长点是家用电子产品， 蓝宝石可以用于制造手机摄像头、功能键甚至是整个显示屏。
绿光光纤激光器适用于那些不易通过近红外波段加工的材料，如聚合物（PEEK、硅胶、环氧树脂、FR4），因此堪称准连续光纤激光器的“最佳搭档”。绿光光纤激光器脉冲周期更短， 因而可以对金属或陶瓷土进行精细加工。我们随我们将一一展示其在不同材料中的应用结果。
准连续光纤激光器
实验所用激光器为YLM-150-1500- QCW光纤激光器，单模光纤（芯径14微米），最大峰值功率1.5千瓦，平均输出功率150瓦（连续模式时最高可达250瓦）； 以及YLR-300-3000-QCW光纤激光器， 多模光纤（芯径50微米），最大峰值功率3千瓦，平均输出功率300瓦。两者输出波长均为1070nm。脉冲周期在10微秒至50毫秒范围内可调，实际范围取决于操作模式及参数设置。
热加工时脉冲周期相对较长，基板的局部温度超过熔点，辅助气体（如空气、氮气、氧气或氩气）以物理形式清理基板上的熔融物。其操作原理为光束/ 光纤通过带有一定焦距的准直镜（一般焦距范围为50~150毫米），经聚焦后至切割头。聚焦镜的焦距根据所需应用进行调整，一般为50 ~200毫米。辅助气体经过切割头，经由一个与光束同轴的喷嘴排出。喷嘴的直径以及喷嘴到目标之间的距离取决于所需应用，但直径和距离通常均为0.5~1毫米。用户可以通过设定脉冲周期、重复频率、峰值功率、平均功率（占空比）、切割速度、气体类型及压力等操作参数，控制热响应区。
准连续光纤激光器有多种峰值功率、平均功率、脉冲周期、单模或多模可供选择，聚焦光束的尺寸也能根据需要进行调整。单模光纤的光束质量可以精细至M2<1.05。由于光束几乎可以达到衍射极限聚焦，这就使得光斑直径能够低至不足20微米，形成超乎想象的功率密度（107W/cm2）！通常这样的功率密度对于大多数材料来说已经足够产生耦合效应及局部烧蚀，即使某些材料对近红外波段的线性吸收不强，如蓝宝石和氧化铝。虽然氧化铝的光透射率远远低于蓝宝石，但是由于其中的晶界、气孔及杂质会对入射光形成吸收、反射和散射，所以，大体积氧化铝对近红外的吸收仍不甚理想。
准连续光纤激光器的应用—— 钻孔
用光纤激光器钻孔时，一个脉冲一个孔，所以准连续光纤激光器在钻孔速度上极具优势。我们选取了厚度为635 微米的氧化铝（96%），以300孔/秒的速度打孔，孔间距为150微米，基板在光束下方以45毫米/秒的速度线性移动，单模光纤，脉冲周期200微秒。当然，脉冲周期越短，钻孔速度就越快，直至达到最大化。这也就是说，操作过程中存在一个平衡钻孔质量、脉冲能量及脉冲周期的最佳峰值功率。一般来说，基板越厚，脉冲能量就越高，和/或脉冲周期也就越长。图1所示为钻孔的入口端及出口端。钻孔出口端以显微镜手动测量为22±3um，入口端为49±3um。基板在操作前已经过覆压，打孔后进行清洁/ 抛光。
在实际应用中，除了能够很好地烧蚀之外，我们还要能够调整孔的大小。通常情况下，高功率密度能产生稳定的烧蚀，然后在氧化铝上形成孔。然而，对于氧化铝这样不易烧蚀的材料而言，仅仅依赖高功率密度就是不够的， 尤其是所需焦斑小于常规尺寸时。另一方面，用大幅提高峰值功率的方法来改善烧蚀，其结果往往会同时影响成孔质量，所以人们常常用覆压涂层的方法来辅助氧化铝表面的烧蚀。IPG微系统推出了一种新的解决方案，通过改进激光工艺的方式加强烧蚀，无需覆压。当然，在某些时候可能还是需要用涂层来改善整体质量，减少渣屑。
图2表示在厚度为381微米的氧化铝（99.6%）上以750孔/秒的速度钻孔后孔的形态。经测量，钻孔入口端孔径约37 微米，出口端约16微米。该实验使用的是单模光纤。
图3表示在厚度为381微米的氮化铝上，以300孔/秒的速度钻孔。测量显示入口端直径约为42微米，出口端约为31微米。与相同厚度的氧化铝相比，氮化铝需要的峰值功率更高，脉冲周期更长。
图4表示在厚度为100微米的氧化铝（99.6%）上，以3000孔/秒的速度操作后观察孔的形态。测量结果显示，钻孔入口端直径约为33微米，出口端直径约为22微米。
用户可通过改变传输光纤的芯径（比如改变激光器及其光纤，或是通过光栅/耦合连接更大的传输光纤）、传输（改变准直镜和/或物镜焦距）、或是参数（通常为脉冲周期和/或脉冲能量，如峰值功率），调整孔的大小。
图5a表示用多模传输光纤在厚度为320微米的氧化铝上进行“大孔径”钻孔。钻孔速度为100孔/秒，出口端直径为320微米。图5b表示在厚度为320微米的氮化铝上沿扫描方向钻孔，孔间距325微米，钻孔速度同样为100孔/秒。2000余个钻孔的测量结果显示，入口端约105微米，出口端约65±9微米。
上述实验证明，在150毫米X150毫米面积内，钻孔定位的精确性达到±5 微米，如将正常孔径尺寸设为100%，则孔径偏差可控制在±15%范围内。在某些应用中，偏差率还有望进一步降低。
准连续光纤激光器能够以热切割形式，对数毫米厚的基板进行高质量切割、划线及钻孔。光束投射在基板上的光斑小（直径<20微米），功率密度高，可加工那些无法使用近红外波段的材料。如果需要“大”光斑，借助一些技术也完全能够做到。在钻孔实验中， 厚度分别为635微米、381微米、100微米的氧化铝，钻孔速度达300孔/秒、750 孔/秒、3000孔/秒；在划线实验中，厚度分别为635微米、381微米的氧化铝，划线速度达200毫米/秒、300毫米/秒。在切割实验中，厚度分别为635微米、381微米的氧化铝，切割速度达140毫米/秒、250毫米/秒，且无任何渣滓和碎屑。氮化铝的实验结果类似，只是一般生产率略低。在厚度分别为0.4毫米、1毫米、3 毫米的蓝宝石切割实验中，切割速度达12毫米/秒、9毫米/秒、3毫米/秒。当然， 实际切割速度还取决于切割形状及质量要求。
与准连续光纤激光器不同的是，绿光光纤激光器可进行烧蚀、微加工，能够在那些如聚合物、陶瓷土及金属等对热能敏感的基板上进行切割和钻孔。脉冲周期短，有助于减少热穿透；平均功率高、重复率高，有助于提高生产率。
上述两种光纤激光器可彼此互为补充，扩大激光加工的范围。为此，IPG 微系统部门为规模生产特别推出了一种新型激光工作站，可同时集成这两种激光器。