皮秒激光

原理及工業應用劉良清光學工程師武漢凌云光電科技有限責任公司

1、皮秒激光原理簡介

2、皮秒激光應用領域簡介

3、皮秒激光類別對比

4、皮秒激光切割選型

5、皮秒激光的保養維護說明報告目錄

一、皮秒激光原理簡介1、飛秒超短脈沖激光結構復雜、成本高昂、穩定性難以保證、維護困難、后續光學系統要求高

激光加工：皮秒脈沖VS飛秒脈沖飛秒脈沖產生原理

皮秒激光器：行波脈沖放大結構簡單、成本適中、穩定性較好、后續光學系統要求低2、皮秒超短脈沖激光SESAMMLOSCAmp175-750MHz30ps14W7WAmp2Pre-ampHR~1W~28W~42WAmp3~56W皮秒超短脈沖激光產生光路結構1OSCFCLMPVSHGISOROTHRHRHRHRDMDMOutputHRPBSBDl/2l/2皮秒超短脈沖激光產生光路結構2皮秒激光加工：影響激光加工效果的主要參數

二、皮秒激光應用領域簡介皮秒激光加工：影響激光加工效果的主要參數皮秒激光加工：各種激光加工手段的主要用途皮秒激光加工：典型激光加工光源皮秒激光加工——“冷”燒蝕皮秒脈沖激光加工優點結構簡單、效費比高、成本適中、重復性好、使用方便典型皮秒激光產品及應用超短脈沖激光及應用波長平均功率光束質量M2脈沖寬度最大重復率1030nm10W<1.320ps2000kHz穿孔/切割燒蝕結構化打標切割聚酰亞胺箔燒蝕CI（G）S薄膜太陽能電池結構化薄膜太陽能電池在陽極鋁上的黑色打標打孔、切割、材料去除利用TruMicro5050型激光器在鈦金屬板上打孔。其它任何技術都達不到這樣高質量的平滑孔壁和銳利邊緣。與納秒或者微秒激光脈沖相比，以皮秒激光脈沖進行材料加工的特點是熔化量降低到最小程度，并且蒸汽壓力很高。材料燒蝕被視為純粹的升華現象。皮秒激光脈沖適用于熱影響區（WEZ）特別小的材料加工。例如在對不銹鋼和鈦材料進行鉆孔時，TruMicro5000系列激光器的優點就發揮地淋漓盡致（請看附圖）。無論用其它任何技術，都無法使孔壁如此平滑、邊緣如此銳利。也不再有溫度影響和毛刺，從而無需后續加工處理。利用所使用的螺旋鉆孔工藝，在孔壁縱橫比達1:10時可以達到任意的錐度，無論是正向、負向還是圓柱形的。硅晶片切割從玻璃襯底上去除0.5μm厚的鉬層，進給速度4m/s（結構尺寸20μm）。材料刻蝕激光精細加工各種樣品展示

鋼

陶瓷

硅黃銅紫銅聚四氟乙烯

玻璃藍寶石晶圓

鋼透明材料加工避免CO2及納秒激光鉆孔所伴隨的微裂紋及碎屑產生皮秒激光鉆孔，實現邊緣、側壁的光滑加工，防止應力集中、材料碎裂石英D236T玻璃薄片1064nm14W

三、皮秒激光類別對比IPGCoherentTime

Bandwidth-LumentumOperationsLLCEKSPLA-Vilnius,LithuaniaPhotonicsindustriesAttodyneInc.-Toronto,CanadaneoLASEGmbH-Hannover,Germany超快激光器主要制造商波長1030nm1030nm1030nm515nm平均功率25W50W100W15W光束質量M2<1.3<1.3<1.3<1,3最大脈沖能量125μJ250μJ50075μJ脈沖持續時間<10ps<10ps<10ps最大脈沖能量0.25J最小重復率200kHz200kHz400kHz200kHz最大重復率400kHz800kHz600kHz400kHz波長515nm343nm343nm平均功率30W10W15W光束質量M2<1,3<1,3<1,3最大脈沖能量150μJ50μJ37,5μJ最大脈沖周期<0,01ns<0,01ns0,01ns最小重復率200kHz200kHz400kHz最大重復率800kHz400kHz800kHz典型皮秒激光產品各項參數PhotonicsIndustriesWavelengthRepetitionRatePowerPulseWidthSeries10641kHz6W<25psRGLSeries1Hz–5kHz5W,10W<25ps;~50psRGLSeriesSingleshotup

to8MHz5W,10W,30W,50W,70W<15psRGHIRSeries20–80kHz10W,25W,40W<1nsSNSeries~72MHz15W,50W,80W20-25psPSSeries5321kHz3.5W<25psRGLSeries1Hz–5kHz3W,5W<25ps;~50psRGLSeriesSingleshotup

to8MHz3W,6W,20W,30W,50W<15psRGHGreenSeries

20–80kHz6W,15W,25W<1nsSNSeries~72MHz10W,35W,50W20-25psPSSeries3551kHz1.5W<25psRGLSeries1Hz–5kHz1.5W,3W<25ps;~50psRGLSeriesSingleshotup

to8MHz1.5W,3W,12W,20W,30W<15psRGHUVSeries20–80kHz3W,9W,16W<1nsSNSeries~72MHz3W,15W,2520-25psPSSeries26620–80kHz0.5W,2W,4W<1nsSNSeries~72MHz0.2W,1W,3W20-25psPSSeries

四、皮秒激光切割選型激光聚焦在硅片內部內聚焦層裂紋生成聚焦頭式加工原理圖：裂紋生成隱型切割優點：速度快、無污染缺點：工藝調試復雜、穩定性較差25貝塞爾光束聚焦貫穿材料厚度利用軸棱鏡將平行光束轉變為錐形波Bessel貝塞爾光束聚焦示意圖

實際光學系統中，由于光學元件有限孔徑的限制，貝塞爾光束的無衍射特性表現為其中心光斑的光強在某一有限傳播距離范圍內基本保持不變。貝塞爾光束聚焦在材料內部，焦深則覆蓋材料厚度優點：速度快、污染較小缺點：功率要求高激光聚焦成絲超薄玻璃鉆孔原理示意圖（a）光束在玻璃中傳播（b）形成等離子通道（c）等離子吸收能量并解離（d）等離子能量轉移至晶格（e）材料氣化或升華（f）冷卻后形成一條通道聚焦成絲切割優點：速度快、污染較小缺點：光束質量要求高、不能切割小型異形圖形結構振鏡掃描燒蝕切割Dynamicexpander(as3rdaxis-Z)Thetalens(NO3rd-axis)優點：切割各種異形圖形結構，成本低缺點：速度慢、污染較大，切口較粗糙

五、皮秒激光的保養維護說明相對空氣濕度50%，氣溫40oC，相對濕度90%，氣溫20oC（氣溫必須高于露點以防止凝露）環境氣溫在+5oC到+40oC（環境氣溫應保持緩慢的變化）根據現場環境設置水冷機在不同季節設定的溫度建議的水冷機設定溫度為：>19C/<27C建議設備應放置在無塵室（千級以下）工作操作環境：冷卻水的純度是保證激光輸出效率及激光器聚光腔組件壽命的關鍵，使用中應每周檢查一次內循環水的電導率，每月必須更換一次內循環的去離子水。隨時注意觀察冷卻系統中離子交換柱的顏色變化，一旦發現交換柱中樹脂的顏色變為深褐色甚至黑色，應立即更換樹脂.冷卻水的注意事項：在氣溫較高或較潮濕的環境下，激光器運行中應隨時注意觀察冷卻水循環的管道或激光聚光腔上是否出現因水溫過低產生的“凝露”現象。“凝露”出現會造成光學端面的損傷，導致輸出功率下降甚至不能出光，使用中一定要加以注意。如果出現“凝露”應立即停止激光焊接機的使用，待聚光腔表面的水分自然干燥后重新檢查光學表面的狀況，檢查一切正常的情況下才能再次開機，開機前注意適當調高溫控器的下限設定溫度。

激光安全注意事項1、有些激光工作時會發射人眼不可見的紅外、紫外光，切勿認為激光器發生故障而去用眼睛檢查，在檢查激光器時一定確保激光器處于斷電情況下