超快激光微加工的Burst Mode和PSO功能

来源:诺派激光    关键词:超快激光, 激光微加工,    发布时间:2019-05-23

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本期我们将从理论概念扩展到实际加工应用,介绍超快激光微加工中两个重要的功能 - Burst ModePSO,它们间接影响着超快激光的加工质量和产能。

单词解释:

1Burst Mode:在激光行业里,通常简称“脉冲串”模式

2PSO:position synchronized output, 位置同步输出


超快激光的基本原理

小编首先和大家简单回顾一下超快激光器的基本原理结构,以便更好地理解Burst ModePSO的功能作用。根据超快激光放大技术原理不同,目前市场上的超快激光器主要包括碟片式、光纤式、固体式以及光纤-固体混合式(种子源采用光纤激光器,放大器部分采用固体放大)四种类型。大多数超快激光器的基本结构都是类似的,主要由种子源、脉冲选择器、放大器和 AOM 四大部分组成。飞秒超快激光器的结构上会稍微复杂一些,在种子源和脉冲选择器之间增加一个展宽器,并在放大器之后增加一个压缩器。

如图1所示,超快激光器的种子源通常采用20-80MHz的高重复频率皮秒光源,先经过脉冲选择器来降低种子源输出频率,在功率放大之前会综合考虑脉冲放大的目标能量、系统设计的最大泵浦功率以及散热管理等因素,通常将重频频率降低在5MHz以下,筛选后的种子源经过放大器后功率/能量得到放大提升,最后再经过AOM,可以进一步控制激光的输出功率及重复频率,并且借助外部促发信号可以实现单触发输出。

1. 超快激光器的基本原理结构示意图


超快激光的Burst Mode功能

Burst Mode的产生是通过受控光开关选择与种子源重复频率相同的多个高频子脉冲,组成一个脉冲串输出。图2列举了脉冲串包络中的子脉冲数量为25时的输出形式,其特点是多个间隔数十纳秒的子脉冲组成一簇,并且脉冲串包络中相邻脉冲的时间间隔由种子源的重复频率所决定,比如种子源的重复频率为20MHz,则脉冲串内部的脉冲间隔为1/20 MHz = 50 ns。这种脉冲的重新排列组合可通过脉冲选择器来实现完成。另外,在某些产品设计中,还会增加对脉冲串包络中各个子脉冲的能量强度的调节功能。

Burst Mode的独特优势是不仅可以调谐脉冲串包络中的子脉冲数量以及脉冲串的时间间隔,而且同时能够保持超快激光的最大输出功率。比如,在5MHz50W的超快激光器系统中,由于材料加工工艺的要求,需要在较低的重复频率(500kHz)下工作,否则会由于重复频率过高引起热积累效应(可参考诺派《激光小学堂》第二期),在这种情况下,直接降频将导致超快激光的加工效率大大降低。利用Burst mode功能,可以在重复频率降为500kHz的同时,把脉冲串的子脉冲数量设定为10,其总的输出功率仍是50W,这样既能保证超快激光微加工的质量,同时又能提高加工产能。

2. 超快激光器不同脉冲串包络中子脉冲数量示意图(n = 2 ~ 5


超快激光的PSO功能

目前很多的超快激光微加工应用都包含了圆角、曲线等运动轨迹,比如说全面屏切割,对于此类轨迹,通常直线部分的切割速度更快,在圆角部分会缓慢移动。如果以固定频率发射激光脉冲,工艺将因轨迹上的不同速度而高度变化,并且在更低运动速度段因更高脉冲重叠而发生不必要的“老化”(如图3a)。为保证这种快速变速轨迹的加工质量,工业超快激光系统需要将加工平台的运动与触发激光或数据采集设备的输出协调起来,从而实现高速、高质量的运动控制。

PSO的主要功能:通过采集实时的编码器反馈进行位置比较,与激光器同步输出信号进行相位同步,在运动轨迹的所有阶段以恒定的空间(而非时间)间隔触发发射激光,包括加速、减速和匀速段,从而实现脉冲能量均匀地作用在被加工物体上。3列举对比了不含PSO功能及含PSO功能的两种圆角矩形的加工效果示意图,可以很明显观察到,利用PSO功能,在整个运动轨迹中激光发射的光斑均匀分布,即使在拐角曲线处也避免了因过度加工而导致的老化现象,从而保证了整体加工质量的一致性。

3. 超快脉冲激光移动运动过程中与物质相互作用示意图:(a)不含PSO功能;(b)含PSO功能


在超快激光加工应用中,尤其在消费类电子产品中,对于加工产能有着极高的要求,如果为了保证加工质量而使整个运动轨迹都处于慢速扫描,将达不到产能要求,这大大影响了超快激光微加工的应用优势。PSO功能的引入能够使超快激光在整个运动轨迹中以固定的距离发送激光脉冲触发信号而不考虑总体速度,即在直线部分以很快的速度运动,而在圆角部分减速,通常圆角加工部分在整体材料中占有比较小的部分,这样在保证材料加工效果的同时,就可以最大限度地提高加工产量。


在超快激光加工应用中,尤其在消费类电子产品中,对于加工产能有着极高的要求,如果为了保证加工质量而使整个运动轨迹都处于慢速扫描,将达不到产能要求,这大大影响了超快激光微加工的应用优势。PSO功能的引入能够使超快激光在整个运动轨迹中以固定的距离发送激光脉冲触发信号而不考虑总体速度,即在直线部分以很快的速度运动,而在圆角部分减速,通常圆角加工部分在整体材料中占有比较小的部分,这样在保证材料加工效果的同时,就可以最大限度地提高加工产量。