皮秒激光器在材料加工領域的典型應用

摘要：

皮秒激光作為(wei) 一種新型的能量源，具有皮秒級超短脈寬、重複頻率可調、脈衝(chong) 能量高等特點，有望實現包括硬脆性難加工材料在內(nei) 的高精度、高效率加工效果，在材料加工領域逐步顯露頭角。

引言：

隨著大功率激光器技術的發展，激光與(yu) 材料相互作用研究的深入，激光加工已經成為(wei) 加工領域中的一種常用技術。激光加工具有以下眾(zhong) 多優(you) 勢：非接觸、後續工藝少、加工效率高、材料耗損少等。采用超短脈衝(chong) 激光加工可將能量極快地注入很小的作用區域，瞬間高能量密度沉積使電子吸收和運動方式發生變化，避免了激光線性吸收、能量擴散和轉移等影響，從(cong) 根本上改變了激光與(yu) 物質相互作用機製如下圖所示

皮秒脈衝激光器具有皮秒級超短脈寬、重複頻率可調、脈衝能量高等特點，在廣泛的加工應用領域具有眾多優勢。尤其值得一提的是，它幾乎沒有熱影響區，可以處理的材料範圍極其涉及材料廣泛，包括：金屬、半導體材料、介電材料、透明材料等，尤其在薄膜材料以及陶瓷、玻璃等硬脆性難加工材料的精細加工方麵，皮秒激光器體現了無熱影響區、無掛渣、無微裂紋等明顯的加工優勢。SPARK LASERS 係列皮秒激光器基於其高功率、高脈衝能量等優勢，在眾多材料加工領域有著廣泛的應用。

SPARK LASERS 皮秒激光器在材料加工領域的典型應用

1. SPARK LASERS 係列中的VEGA 1064nm皮秒激光器產品非常適用於材料加工領域。

VEGA 1064nm 參數規格：

Model	VEGA-1064	VEGA -532**
Wavelength	1064 nm	532 nm
Spectral width	< 2 nm	< 2 nm
Pulse duration	< 120 ps	< 100 ps
Pulse energy	40 u J from single shot to 500 kHz	20 u J from single shot to 500 kHz
Repetition rate	Single pulse to 1MHz（with burst mode）	Single pulse to 1MHz（with burst mode）
M²	< 1.2	< 1.2
Beam waist diameter	1 mm	1 mm
Beam waist location	At output port +-50% RR	At output port +-50% RR
Beam pointing	< 25 urad/℃	< 25 urad/℃
Ellipcityt	>0.85	>0.85
Warm-up time	< 15 mins	< 15 mins
Power stability	< 2% RMS	< 4% RMS
Pulse stability	< 2% RMS	< 4% RMS
Polarization	Vertical ,>100:1	Vertical ,>100:1
Pulse control	Ext AOM with gating	Ext AOM with gating
Laser head dimensions (mm³)	300 x 300 x 80	300 x 300 x 80
Laser controller dimensions	19”/3U rack	19”/3U rack
Standard umbilical length	3 m	3 m
Power consumption	100 to 240 VAC <400 W	100 to 240 VAC <400 W
Cooling	Air cooled	Air cooled

SPARK LASERS 係列中的VEGA 1064nm 是款高能量、短脈衝（<100 PS）、緊湊型皮秒激光器，非常適用於薄膜移除、玻璃雕刻等眾多材料加工應用。

應用一：聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）基質上透明導電銀納米線薄膜的消融

通過使用VEGA 1064nm皮秒激光器來消除方塊銀納米線薄膜，測量該方塊內部和外部的阻抗高於20MΩ成功實現了電隔離。

(a) (b)

(a) 為消融線的3D圖；可通過皮秒激光器以1 m/s 的掃描速度、0.88 J/cm2 的脈衝能量實現

(b) 為PET上的銀納米線的SEM圖；可通過皮秒激光器以1.6 m/s 的掃描速度、2.63 J/cm2 的脈衝能量實現

VEGA 1064nm皮秒激光器基於高能量、短脈衝等特點亦適用於印刷電子產品如有機光伏或有機LED顯示和照明等領域中。

應用二：玻璃內表麵打標

通過使用VEGA 1064nm皮秒激光器在玻璃內表麵打標避免了透明材料產品的偽造。這類打標材料類型必須是肉眼不可見的除非在特定觀察角度或者照明的情況下可見。基於非線性效應（多光子吸收），該加工過程是透明材料折射率變化的過程。這種效應可通過大強度峰值實現，因此非常適合選用SPARK LASERS 係列中的VEGA 1064nm皮秒激光器。

VEGA 1064nm皮秒激光器亦可應用於相關領域：醫療包裝、奢侈品、珠寶的防偽。

應用三：PET基質上ITO的消融

VEGA 1064nm皮秒激光器基於其脈衝穩定性、高脈衝能量等特點可選擇性消融ITO/PET。我們可以觀察到優質的ITO雕刻（脈衝能量的穩定性>=雕刻的穩定性）。

VEGA 1064nm皮秒激光器亦適用於以下相關應用：液晶顯示器、平板顯示器、等離子體屏幕、靈敏觸摸屏的透明導電包封；類似於OLEDs、單元光伏、防靜電沉積（倉庫）、裝甲板抗電磁幹擾。

2. SPARK LASERS 係列產品SIRIUS 1064nm皮秒激光器適用於眾多材料加工領域。

SPARK LASERS 係列中的SIRIUS 1064nm皮秒激光器是款高能量、超短脈衝（< 10 ps）、緊湊型皮秒激光器，非常適用於對材料切割、打孔標記等材料加工領域。

SIRIUS 皮秒激光器參數規格：

Model	SIRIUE-1064	SIRIUE-532
Wavelength	1064 nm	532 nm
Spectral width	< 0.3 nm	< 0.3 nm
Pulse duration	< 10 ps	< 10 ps
Pulse energy	100 u J@20 KHz (2 W) 60 u J@50 KHz (3 W) 35 u J@100 KHz (3.5 W) 20 u J@200 KHz (4 W) 9 u J@500 KHz (4.5 W) 5 u J@1 MHz (5 W)	50 u J@20 KHz (1 W) 30 u J@50 KHz (1.5 W) 17 u J@100 KHz (1.7 W) 10 u J@200 KHz (2 W) 4 u J@500 KHz (2.25 W) 2 u J@1 MHz (2.5 W)
Repetition rate	Single pulse to 1MHz（with burst mode）	Single pulse to 1MHz（with burst mode）
M²	< 1.2	< 1.2
Beam waist diameter	1 mm	1 mm
Beam waist location	At output port +-50% RR	At output port +-50% RR
Beam pointing	< 25 urad/℃	< 25 urad/℃
Ellipcityt	>0.85	>0.85
Warm-up time	< 30 mins	< 30 mins
Power stability	< 2% RMS	< 4% RMS
Pulse stability	< 2% RMS	< 4% RMS
Polarization	Vertical ,>100:1	Vertical ,>100:1
Pulse control	Ext AOM with gating and burst mode	Ext AOM with gating and burst mode
Laser head dimensions (mm³)	453 x 296 x 110.2	453 x 296 x 110.2
Laser controller dimensions	19”/3U rack	19”/3U rack
Standard umbilical length	3 m	3 m
Power consumption	100 to 240 VAC <600 W	100 to 240 VAC <600 W
Cooling	water cooled	water cooled

應用一：陶瓷上直線切割&鑽盲孔

通過使用SIRIUS 532nm 皮秒激光器在陶瓷上直線切割或鑽盲孔可獲得很高的質量效果，並且在加工過程中無熱效應產生。

SIRIUS 532nm 皮秒激光器亦可應用於相關領域如半導體加工。

應用二：金屬表麵雕刻

使用SIRIUS 532nm 皮秒激光器可以實現在一些金屬包括不鏽鋼、銅、鋁、碳鋼、鐵、鋁合金等各種金屬合金表麵進行雕刻加工。

結論

SPARK LASERS 係列中的VEGA 1064nm皮秒激光器、SIRIUS 1064nm、532nm皮秒激光器基於超短脈寬、重複頻率可調、脈衝能量高等特點，體現了無熱影響區、無掛渣、無微裂紋等明顯的加工優勢，能夠在材料加工領域具有廣泛的應用。

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