微激光鉆孔

微激光鉆孔是工業(yè)中最常見(jiàn)和最常用的激光加工之一。各種各樣的激光光源類型可以處理各種材料（金屬、陶瓷、半導(dǎo)體、聚合物和有機(jī)材料等），具有前所未有的可重復(fù)性、準(zhǔn)確性和速度。微鉆孔在許多行業(yè)中都很突出，例如汽車、航空航天和電子，甚至激光手術(shù)和食品行業(yè)。例如，該工藝能夠?qū)⒏呖v橫比鉆孔降至微米級(jí)，最近已為汽車行業(yè)開(kāi)發(fā)了新的噴嘴，將發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率提高到30％。

超短脈沖激光

鉆更小的孔、提高鉆孔速度、提高孔的精度和質(zhì)量，以及降低工藝的能耗，導(dǎo)致對(duì)提高工業(yè)加工的產(chǎn)量和質(zhì)量的不斷需求。這符合新的特定需求，帶來(lái)新的激光鉆孔技術(shù)的正常發(fā)展。最新的主要?jiǎng)?chuàng)新之一，是使用所謂的超短脈沖激光（USP）微加工工具。

超短脈沖激光器通常以高重復(fù)頻率（有時(shí)每秒超過(guò)十萬(wàn)個(gè)脈沖）提供短而強(qiáng)的光脈沖。這些激光器的突出特點(diǎn)，是它們可以在極短的時(shí)間內(nèi)，大約一皮秒（10-12秒）到幾十飛秒（10-15秒），集中脈沖的發(fā)光強(qiáng)度。每個(gè)脈沖都帶有一定量的能量，但其短促性使其能夠獲得相當(dāng)高的峰值功率（高達(dá)幾十瓦）。

對(duì)于USP激光，脈沖是如此短而且有能量，以致它們幾乎瞬間去除被照射的材料。這些激光器的超短脈沖不會(huì)像更常規(guī)的激光那樣，通過(guò)能量被吸收為熱量來(lái)移除材料，而是在沒(méi)有熱效應(yīng)的情況下導(dǎo)致物質(zhì)的電離。這種效應(yīng)被稱為冷燒蝕，允許最小的內(nèi)部應(yīng)力、裂縫、毛刺和其他通常由吸熱引起的缺陷。2USP激光可以每秒快速鉆高達(dá)數(shù)千個(gè)孔，7直徑小于任何其他工藝（幾微米；見(jiàn)圖1）。此外，由于該工藝對(duì)加工材料的后處理很少或幾乎不需要，因此高速激光器可以以較低的成本提供高生產(chǎn)率，4并且越來(lái)越緊湊和經(jīng)濟(jì)的商用USP激光的可用性，證明了它們用于越來(lái)越多的工業(yè)應(yīng)用。

圖1：由飛秒激光脈沖鉆出的燃料噴射頭孔

激光光束整形

然而，為了真正最大化該加工的有效性、質(zhì)量、分辨率和效率，有必要應(yīng)用適合于給定應(yīng)用的激光光束整形技術(shù)。激光光束自然具有不均勻的橫向能量分布（見(jiàn)圖2），這可能導(dǎo)致不必要的能量損失、不準(zhǔn)確性和鉆孔不規(guī)則性。材料的類型、孔的參數(shù)、鉆孔的質(zhì)量和生產(chǎn)率都是需要考慮的因素，并且需要優(yōu)化激光脈沖的強(qiáng)度在加工材料中的分布方式。

圖2：激光光束強(qiáng)度的不均勻分布

1. Gaussian intensity profile：高斯強(qiáng)度分布

2. Intensity：強(qiáng)度

3. Transverse position：橫向位置

4. Spot diameter：光斑直徑

5. Processing threshold：加工閾值

6. Wasted energy：損失的能量

根據(jù)具體應(yīng)用的需要，可能需要均勻地集中激光能量，將光束整形成一定的輪廓，或甚至生成若干光束以同時(shí)處理多個(gè)區(qū)域4,5并增加工藝的生產(chǎn)率。例如，一種常用的光束形狀是平頂輪廓（見(jiàn)圖3a），這使得可以獲得均勻強(qiáng)度的激光光斑，從而以更好的分辨率和規(guī)則的深度穿透。

另一種常用的形狀是貝塞爾光束，它使傳播的能量在長(zhǎng)距離上強(qiáng)烈聚集在小而細(xì)長(zhǎng)的區(qū)域中（見(jiàn)圖3b）。因此，對(duì)于具有高縱橫比（深度與直徑比遠(yuǎn)大于10:1的孔）的小直徑孔（有時(shí)直徑小于微米）的鉆孔特別有用。該形狀特別用于加工透明材料，8例如玻璃或藍(lán)寶石。對(duì)于更具體的應(yīng)用，可能需要產(chǎn)生更特定幾何形狀的光束，例如使用無(wú)掩模光刻來(lái)加工光子晶體或電子微元件。

因此，需要優(yōu)化該工藝以將激光光束整形單元集成到激光微鉆孔系統(tǒng)中。存在幾種類型的光束整形技術(shù)，例如折射光學(xué)元件（ROE）、衍射光學(xué)元件（DOE）和空間光調(diào)制器（SLM）。這些技術(shù)通常以規(guī)?；a(chǎn)使用，但取決于應(yīng)用，它們往往在可獲得的形狀類型方面受到限制，受到淺景深（鉆孔的有用深度）的影響，并且可能具有降低的效率和高價(jià)格。

最近，多平面光轉(zhuǎn)換（MPLC）技術(shù)在光束整形方面提供了大量的自由度，同時(shí)具有高轉(zhuǎn)換效率（> 95％）。MPLC技術(shù)自2013年開(kāi)始由法國(guó)CAILabs公司開(kāi)發(fā)，在整形參數(shù)、景深和能效方面取得了創(chuàng)紀(jì)錄的成果。它可以為激光行業(yè)生成標(biāo)準(zhǔn)形狀，例如平頂和貝塞爾光束（見(jiàn)圖3），以及針對(duì)更具體應(yīng)用的定制形狀，無(wú)論使用何種波長(zhǎng)。此外，它還提供了新功能，例如多個(gè)光束的合束整形，可以生成復(fù)雜的形狀。

圖3：平頂光束輪廓（a）和貝塞爾光束的實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度分布（b）

• Intensity：強(qiáng)度

• Transverse position：橫向位置

• Spot diameter：光斑直徑

• Processing threshold：加工閾值

• Wasted energy：損失的能量

• Propagation distance：傳播距離

展望

USP激光光源的不斷發(fā)展，特別是在功率、效率和成本方面，使得USP激光微鉆孔成為可以被越來(lái)越多的應(yīng)用所使用的工藝。該技術(shù)長(zhǎng)期用于小批量生產(chǎn)的原型設(shè)計(jì)和微加工應(yīng)用，現(xiàn)在以越來(lái)越高的生產(chǎn)率，用作越來(lái)越多的大規(guī)模應(yīng)用的頂級(jí)方法，例如制造動(dòng)脈支架、OLED面板和注射頭。9為了確保足夠的生產(chǎn)率和最佳的加工質(zhì)量，激光光束整型可以最大限度地提高加工效率。這就是為什么有必要采用光束整形技術(shù)，伴隨著工藝的發(fā)展，能夠應(yīng)對(duì)新的微激光鉆孔應(yīng)用的挑戰(zhàn)。