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光纤激光器应用于显微机械加工

 对于需要优异模质量和高聚焦性能来实现小形体尺寸的显微机械加工工艺,这些新型激光器能够实现商业应用。多年来,脉冲Nd:YAG激光一直是金属精密切割、精细焊接和钻孔的首选。在1微米波长附近,与同等二氧化碳激光器相比,其聚焦光学镜更小,更简单,而且可以实现更小的光点尺寸。
  超精密显微机械加工对更高效、小巧、高光束质量激光器的需求推动了光纤激光器开发工作的快速增长。这些激光器在IR光谱区附近工作,与传统激光相比具有多种优势,而且在实现新的显微机械加工应用方面具有更大潜力。
  医疗行业是激光微切割最重要的应用领域之一,光纤激光正在逐步替代脉冲灯泵Nd:YAG激光。由于以下两个基本原因,医疗设备一般很小:一是它们通常需要安装到狭小区域;二是其制作材料昂贵,减少尺寸也就是降低成本。能够在仅有几微米区域工作的激光器是精巧、昂贵设备的理想解决方案。医疗设备行业对微切割需求最强烈的应用可能是支架切割。支架是一种永久插入动脉的纤细、格状金属管。其有助于扩张动脉,疏通血流。这种插入到患病冠状动脉中的圆柱形金属支架,能使血液恢复充分流通。支架所用材料包括316L不锈钢或镍钛合金(形状记忆合金)。
  管的典型直径为1~10毫米,壁厚约100微米。关键是切口宽度要小(20~30微米),这就要求光纤激光器需提供较高的光束质量与激光功率稳定性。激光切割必须具有较高的表面质量,较小的热影响区域,而且无残渣。图2是经过切割与超声波清洗器清洗后的典型支架SEM显微图。利用100W光纤激光器可以实现超高轮廓精度(<5微米)的无残渣切割(宽度为20微米)。采用单模激光输出以及氮气辅助气体,切割厚度为0.5毫米的316L不锈钢的典型速度大约为5米/分钟。是氧气和氮气之间的不锈钢切割速度对比图。相关切割数据来自GSI100W单模光纤激光器。
  光纤激光器也是SMT模板制作的理想选择。可以在厚度为250~500微米的不锈钢中制作各种形状的精密轮廓。
  除了适用于黑色金属和非金属薄片,光纤激光器在切割厚的多晶硅(硅片)方面也颇具优势。多晶硅材料非常脆,在激光切割过程中极易破裂。迄今,脉冲灯泵Nd:YAG已经成功用于切割此类材料。
  最初采用单模100W光纤激光器在GSI上进行的切割实验在切割速度、切割边角质量和细裂纹(长度约10~15微米)方面取得了非常令人振奋的成果。这和采用脉冲Nd:YAG激光源十分接近,只是因为条纹比Nd:YAG激光器差几个数量级,从而在边缘质量方面仅稍逊一些。

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