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国产高功率飞秒激光器进入工业实用化时代

作者: admin 时间:2017-11-13 来源:未知
摘要:导读: 近几年来,随着人们对生活质量要求的提高,国内的消费类电子,清洁能源,新能源汽车,生物医疗以及半导体等行业得到了蓬勃的发展。激光尤其是超快激光在这些高端智能制...

导读: 近几年来,随着人们对生活质量要求的提高,国内的消费类电子,清洁能源,新能源汽车,生物医疗以及半导体等行业得到了蓬勃的发展。激光尤其是超快激光在这些高端智能制造领域的作用得到越来越多的体现。

传统的薄脆性材料和薄膜材料的加工方法面临挑战

近几年来,随着人们对生活质量要求的提高,国内的消费类电子,清洁能源,新能源汽车,生物医疗以及半导体等行业得到了蓬勃的发展。激光尤其是超快激光在这些高端智能制造领域的作用得到越来越多的体现。

玻璃、蓝宝石和陶瓷等脆性材料,凭借着自身具备的独特物理化学特性在手机,平板,触摸屏产品里得到了广泛的应用。例如玻璃用作于智能手机的显示屏;陶瓷用于制作电子零部件衬底和绝缘材料;碳化硅材料制作芯片的晶圆,蓝宝石用于 LED 衬底、手机摄像头保护玻璃、智能手机显示屏、智能手表的盖板玻璃等。

在这些产业领域中使用的玻璃、碳化硅、蓝宝石或陶瓷等材料,厚度通常较薄,硬度很高,非常易碎,而且加工精度要求越来越高。在加工要求上,上述应用通常需要在这些薄脆易碎的材料上实施非常精密的切割、钻孔甚至开槽等加工过程,这使得机械加工工艺如铣、钻、磨等面临着极大的挑战,因为材料极薄极脆,加工过程中因接触而施加到材料上的任何应力,都可能导致材料碎裂,最终报废。而传统的采用长脉冲激光的加工工艺,由于存在热损伤,以及由此带来的加工面毛刺,崩边,甚至碳化等问题,使得其在薄脆材料加工领域受限。

同时,金属材料加工领域,金属箔或者薄片的加工也是超快激光应用的热点。在电子产业,锂电池产业以及光伏领域,铜箔,铝箔以及不锈钢薄片的激光加工的需求日趋旺盛,并且,对此类材料的加工精度和加工速度的要求也越来越高。由于金属箔和薄片自身的一些特性,如材料自身极薄,具有高反射率,同时金属的导热性良好,使得传统的激光加工工艺无法到达要求的加工质量。例如,采用纳秒激光加工,由于脉冲持续时间较长,激光加工更容易造成金属箔的热损伤,以及由热损伤带来的材料变形和毛刺等。

高分子聚合物薄膜材料广泛应用于电子产品,如FPCB覆盖膜,OLED柔性显示屏中的复合膜等,由于材料极薄,如果采用纳秒激光脉冲加工,材料极易变形,甚至在加工面的材料发生碳化。

激光加工领域中,传统的基于材料中电子通过对光子的共振线性吸收获得热能的热熔性过程和“粗”加工方式,已不能满足更精细的材料微加工的要求。无论是在非金属加工领域,如薄脆性材料加工,还是金属材料加工领域,如铜薄片铝箔,以及有机高分子材料加工领域,采用飞秒超快激光技术的微加工技术备受关注。

飞秒激光技术应对精细的微加工挑战

由于飞秒激光的超快速时间和超高峰值功率的特性,在飞秒激光用于材料加工时,具有如此高峰值光强和极短持续时间的光脉冲与物质相互作用,能够以极快的速度将其全部能量注入到很小的作用区域,瞬间内的高能量密度沉积将使电子的吸收和运动方式发生变化,避免了激光线性吸收而导致能量转移和扩散等的影响,从而在根本上改变了激光与物质相互作用的方式,使飞秒激光加工成为具有超高精度,超高空间分辨率,以及广泛性的材料适应性的非热熔冷处理过程,开创了激光加工的崭新领域。

飞秒激光加工是基于多光子非线性吸收和电离机制, 而不是光子能量线性吸收而形成的热积累,因此,避免了热传导效应。当飞秒光脉冲作用于材料的表面或者透明材料的内部,由于光脉冲的持续时间极短,光脉冲的作用区域极小,光强度极高,通过非线性吸收过程,激光脉冲的能量来不及向作用点周围传递,光脉冲的作用过程或者加工过程就已经结束,因此产生的热量几乎可以忽略不计,被加工的材料几乎没有热损伤。


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