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紫外激光在高端精密加工中的應用
星之球科技 來源:迅鐳激光2016-10-25 我要評論(0 )
近年來高功率高光束質量的激光器在各行材料加工行業(yè)的應用得到迅猛發(fā)展,激光器種類繁多:不同結構分為氣體激光、固體激光、光纖
近年來高功率高光束質量的激光器在各行材料加工行業(yè)的應用得到迅猛發(fā)展,激光器種類繁多:不同結構分為氣體激光、固體激光、光纖激光、半導體激光成為支撐材料加工行業(yè)的主流;其波長范圍從遠紅外到深紫外均能覆蓋到(200nm~20um),不同的行業(yè)亦會使用到不同的功率范圍,不同的光束質量,不同的激光輸出方式等等。在加工薄膜非金屬材料,半導體晶圓切割,有機玻璃切割、鉆孔、打標等領域為了減少熱效應影響,希望小孔徑光斑作用及高峰值功率,紫外激光的作用和地位就是那么的出色和不可替代。
對于金屬加工的波長多為紅外波段,以期望高功率高熱量來作用加工金屬,但其紅外或可見光通??慨a生高亮度的局部加熱使材料氣化、熔化的方式來進行加工。但這種熱量會導致激光作用區(qū)域的周邊材料受到影響甚至被破壞,因而限制了加工邊緣質量和工業(yè)應用范圍。而紫外激光是短波長高能量光子激光,其作用到物質上是直接破壞材料原子組分的化學鍵,而不產生熱量,所以一般都把紫外激光加工稱作“冷”加工。
紫外激光在市場上主要有兩種:氣體紫外激光器、固體紫外激光器。固體紫外激光器由于其效率高及體積小等優(yōu)點在市場上占有較大份額。固體紫外激光器還有著半導體泵浦激光器的優(yōu)點:熱損耗低,晶體吸收效率高,易維護,峰值功率高。
固體紫外激光器一般選用基頻1064nm紅外光進行3倍頻輸出266nm,抑或先倍頻成532nm,再由532nm倍頻光與未轉換的基頻光和頻成355nm進行輸出。倍頻一般采用高透非線性晶體,形式一般有角度匹配及溫度匹配,而結構又可以分為腔內倍頻及腔外倍頻兩種。實現(xiàn)相位匹配條件的方法:由于一般介質存在正常色散效果,即高頻光的折射率大于低頻光的折射率,如n2ω―nω大約為10-2數(shù)量級。?k≠0。但對于各向同性晶體,由于存在雙折射,我們則可利用不同偏振光間的折射率關系,尋找到相位匹配條件,實現(xiàn)?k=0。此方法常用于負單軸晶體,下面以負單軸晶體為例說明。圖2中畫出了晶體中基頻光和倍頻光的兩種不同偏振態(tài)折射率面間的關系。圖中實線球面為基頻光折射率面,虛線球面為倍頻光折射率面,球面為o光折射率面,橢球面為e光折射率面,z軸為光軸。
折射率面的定義:從球心引出的每一條矢徑到達面上某點的長度,表示晶體以此矢徑為波法線方向的光波的折射率大小。實現(xiàn)相位匹配條件的方法之一是尋找實面和虛面交點位置,從而得到通過此交點的矢徑與光軸的夾角。圖中看到,基頻光中o光的折射率可以和倍頻光中e光的折射率相等,所以當光波沿著與光軸成θm角方向傳播時,即可實現(xiàn)相位匹配,θm叫做相位匹配角。
紫外激光加工在高端應用市場主要有下列用途:晶圓基片切割,太陽能電池板切割,玻璃材料切割,有機材料標刻,微電路生產,微納米加工生產等等。一般晶圓材料堅硬,體積小加工精度要求高,采用物理劃片機進行加工,震裂方式分離,會造成崩邊,切口不良,刀口鈍化等現(xiàn)象,限制產品良率的提高,而采用紫外激光器進行藍寶石基底,半導體晶圓基底的切割可以得到更小的切口,和高速切割而無熱區(qū)影響,大大提高良率。
紫外激光的應用在智能型手機崛起的帶動下,也逐漸有了發(fā)展的空間。過去因為手機的功能不多,而且激光加工的成本高昂,激光加工在手機的市場中占有的地位并 不多,但是現(xiàn)在智能型手機的功能多,整合性高,在有限的空間內要整合數(shù)十種的傳感器及上百個功能器件,且組件成本高,因此對于精度、良率及加工要求均大大 增加,紫外激光在手機產業(yè)發(fā)展出多種應用。
智能型手機的最大特色就是觸屏的功能,電容式觸摸屏可以做到多點觸控,對應電阻式觸摸屏,其壽命更長、反應更快,因此電容式觸摸屏已成為智能型手機選擇的主流。
陶瓷在人類歷史中一直占據(jù)重要的角色,從日用品、裝飾用品到工業(yè)應用,都可看到它的足跡。上個世紀電子陶瓷應用逐漸成熟,應用范圍更廣,例如散熱基板、壓 電材料、電阻、半導體應用、生物應用等,除了傳統(tǒng)的陶瓷加工工藝外,陶瓷加工也因應用種類的增加,進而進入了激光加工領域。按照陶瓷的材料種類可分為功能 陶瓷、結構陶瓷及生物陶瓷??捎糜诩庸ぬ沾傻募す庥蠧O2激光、YAG激光、綠光激光等,但是隨著元器件逐漸小型化,以及YAG激光或光纖激光加工已經無法滿足其要求,因此紫外激光加工成為必要的加工方式,他可對多類陶瓷進行加工。CO2激光加工與紫外激光 加工的陶瓷切割效果對比圖如下:
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