皮秒激光器在材料加工领域的典型应用

摘要：

皮秒激光作为一种新型的能量源，具有皮秒级超短脉宽、重复频率可调、脉冲能量高等特点，有望实现包括硬脆性难加工材料在内的高精度、高效率加工效果，在材料加工领域逐步显露头角。

引言：

随着大功率激光器技术的发展，激光与材料相互作用研究的深入，激光加工已经成为加工领域中的一种常用技术。激光加工具有以下众多优势：非接触、后续工艺少、加工效率高、材料耗损少等。采用超短脉冲激光加工可将能量极快地注入很小的作用区域，瞬间高能量密度沉积使电子吸收和运动方式发生变化，避免了激光线性吸收、能量扩散和转移等影响，从根本上改变了激光与物质相互作用机制如下图所示

皮秒脉冲激光器具有皮秒级超短脉宽、重复频率可调、脉冲能量高等特点，在广泛的加工应用领域具有众多优势。尤其值得一提的是，它几乎没有热影响区，可以处理的材料范围极其涉及材料广泛，包括：金属、半导体材料、介电材料、透明材料等，尤其在薄膜材料以及陶瓷、玻璃等硬脆性难加工材料的精细加工方面，皮秒激光器体现了无热影响区、无挂渣、无微裂纹等明显的加工优势。SPARK LASERS 系列皮秒激光器基于其高功率、高脉冲能量等优势，在众多材料加工领域有着广泛的应用。

SPARK LASERS 皮秒激光器在材料加工领域的典型应用

1. SPARK LASERS 系列中的VEGA 1064nm皮秒激光器产品非常适用于材料加工领域。

VEGA 1064nm 参数规格：

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 系列中的VEGA 1064nm 是款高能量、短脉冲（<100 PS）、紧凑型皮秒激光器，非常适用于薄膜移除、玻璃雕刻等众多材料加工应用。

应用一：聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基质上透明导电银纳米线薄膜的消融

通过使用VEGA 1064nm皮秒激光器来消除方块银纳米线薄膜，测量该方块内部和外部的阻抗高于20MΩ成功实现了电隔离。

(a) (b)

(a) 为消融线的3D图；可通过皮秒激光器以1 m/s 的扫描速度、0.88 J/cm2 的脉冲能量实现

(b) 为PET上的银纳米线的SEM图；可通过皮秒激光器以1.6 m/s 的扫描速度、2.63 J/cm2 的脉冲能量实现

VEGA 1064nm皮秒激光器基于高能量、短脉冲等特点亦适用于印刷电子产品如有机光伏或有机LED显示和照明等领域中。

应用二：玻璃内表面打标

通过使用VEGA 1064nm皮秒激光器在玻璃内表面打标避免了透明材料产品的伪造。这类打标材料类型必须是肉眼不可见的除非在特定观察角度或者照明的情况下可见。基于非线性效应（多光子吸收），该加工过程是透明材料折射率变化的过程。这种效应可通过大强度峰值实现，因此非常适合选用SPARK LASERS 系列中的VEGA 1064nm皮秒激光器。

VEGA 1064nm皮秒激光器亦可应用于相关领域：医疗包装、奢侈品、珠宝的防伪。

应用三：PET基质上ITO的消融

VEGA 1064nm皮秒激光器基于其脉冲稳定性、高脉冲能量等特点可选择性消融ITO/PET。我们可以观察到优质的ITO雕刻（脉冲能量的稳定性>=雕刻的稳定性）。

VEGA 1064nm皮秒激光器亦适用于以下相关应用：液晶显示器、平板显示器、等离子体屏幕、灵敏触摸屏的透明导电包封；类似于OLEDs、单元光伏、防静电沉积（仓库）、装甲板抗电磁干扰。

2. SPARK LASERS 系列产品SIRIUS 1064nm皮秒激光器适用于众多材料加工领域。

SPARK LASERS 系列中的SIRIUS 1064nm皮秒激光器是款高能量、超短脉冲（< 10 ps）、紧凑型皮秒激光器，非常适用于对材料切割、打孔标记等材料加工领域。

SIRIUS 皮秒激光器参数规格：

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

应用一：陶瓷上直线切割&钻盲孔

通过使用SIRIUS 532nm 皮秒激光器在陶瓷上直线切割或钻盲孔可获得很高的质量效果，并且在加工过程中无热效应产生。

SIRIUS 532nm 皮秒激光器亦可应用于相关领域如半导体加工。

应用二：金属表面雕刻

使用SIRIUS 532nm 皮秒激光器可以实现在一些金属包括不锈钢、铜、铝、碳钢、铁、铝合金等各种金属合金表面进行雕刻加工。

结论

SPARK LASERS 系列中的VEGA 1064nm皮秒激光器、SIRIUS 1064nm、532nm皮秒激光器基于超短脉宽、重复频率可调、脉冲能量高等特点，体现了无热影响区、无挂渣、无微裂纹等明显的加工优势，能够在材料加工领域具有广泛的应用。

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