GHz激光器，“飞秒”微加工福音

飞秒激光器凭借着其低至亚微米级别的加工精度在内雕、精密制造、材料去除、芯片制造、超薄材料处理等微加工领域发挥出越来越大的作用，并逐步得到工业领域的认可和导入。然而，对激光器大脉冲能量和重复频率的追求不仅对工业加工速度的提升有限，而且随着脉冲能量的提升还会导致飞秒激光器的热影响区域变大，削弱飞秒激光冷加工的优势。

图1：人牙釉质材料飞秒激光加工（a、c）VS 脉冲串模式加工（b、d）

为了解决这一问题，Bilkent大学物理所的研究人员另辟蹊径，提出了一种消融冷却材料的去除方式。通过调节激光器的脉冲分布，使用脉冲串的形式来提升加工效率，并同时具备较低的热影响区域（图1）。并且Amplitude的工艺研发团队率先推出了GHz激光器，深入研究了其在硅、铜、铝、不锈钢材料上的打孔、划线、划槽工艺（图2）。结果表明，GHz激光器同时具备飞秒激光器的冷加工效果，超越同水平纳秒激光器的加工效率。这一结果有望改变现有的加工工艺体系，为提升微加工效率提供新的解决方案。

GHz飞秒激光加工的原理
飞秒激光器的加工过程主要可以分为三个部分：加热、烧蚀、冷却。如图所示，在第一阶段，飞秒脉冲接触材料并对其开始加热，当材料温度达到T0（材料的烧蚀温度）时进入第二阶段，材料被烧蚀去除，随着当飞秒脉冲带来的热量被烧蚀材料带走，温度低于T0，进入第三阶段，此时残余的热量被加工区域附近吸收，产生热影响。

图2：Amplitude团队GHz激光器的工艺研发结果 (a) GHz参数优化；(b) 普通飞秒，GHz飞秒和普通纳秒激光器在硅、铝、不锈钢上的加工效率对比。GHz激光器加工效率是同等纳秒激光器的两倍

与之对比，GHz激光器加工过程中分为同样三个阶段。区别在于，GHz飞秒激光器具有高重复频率特征和脉冲串形式，在th阶段，脉冲串带来的热量超过了材料的散热速率，将在材料内部逐步累积达到材料的烧蚀阈值Tth，这一阶段是GHz激光加工过程中带来加工热效应的最主要部分。

图3：普通飞秒激光器加工示意图（a）；GHz飞秒激光器加工示意（b）

当材料温度到达烧蚀阈值Tth后，因为GHz激光器的高重频特征，脉冲串中的后续脉冲会相对温和持续地带来热量将材料气化，并被气化的材料带走，从而最大程度地削弱热影响。在整个加工过程中，材料内部温度会因热积累和消融冷却效应间达到平衡而保持恒定，故而其热影响区的大小只在热扩散长度范围内，从而有望达到飞秒激光器的冷加工效果。由于这一特性，GHz激光器的加工效果对材料的热传导性也会有一定依赖性。

更高的加工效率和精度
影响激光烧蚀加工效率有两个：一个是脉冲或脉冲串间的移动速度，也就是振镜扫描速度或平台移动速度；另一个则是每个脉冲或脉冲串作用在材料上时的剥蚀速度，这个效果可以用单位时间内每瓦功率或者单位脉冲能量剥蚀掉材料的体积衡量。因此，对应激光器设计的要求有两个方向，一个是增加激光器的单脉冲能量，另一个是提高重复频率。

华日激光通过跟踪前沿科学研究，在已有的激光器放大器平台的基础上搭载特别的GHz振荡器源，实现了10W、40W、80W工业级飞秒激光器产品。同时利用20W GHz产品实现了超优良的实验结果。在铜、铝、不锈钢、硅等材料上都得到了优异的加工效果。

华日激光打破了工业应用中常用的硅材料剥蚀效率纪录，获得了42.3µm3/µJ或2.5mm3/min/W 的超快剥蚀速率。只有少于3%的材料熔融与材料被剥蚀的体积相比可以忽略不计。公司最新推出的二代GHz产品，其振荡器源进行了优化和改良，实现了更为优良的脉冲输出，在同一个脉冲串中，将数百个脉冲的脉冲能量匀化，有效地降低了单个脉冲的平均单脉冲能量，进一步减小材料加工过程中等离子体扩散带来的屏蔽效应，同时匀化的脉冲串加工有利于优化激光器的功率，得到更好的加工效果。

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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