脈衝雷射和超皮秒哪個好（毫秒雷射納秒雷射）

2023-05-29 22:34:48 2

大家對雷射加工並不陌生，但你對經常能聽到的納秒雷射、皮秒雷射、飛秒雷射等，你是否能分得清呢？

▌ 我們先來搞清楚時間單位換算

1ms (毫秒)=0.001秒=10-3秒

1μs (微秒)=0.000001=10-6秒

1ns (納秒)=0.0000000001秒=10-9秒

1ps (皮秒)=0.0000000000001秒=10-12秒

1fs (飛秒)=0.000000000000001秒=10-15秒

搞清楚了時間單位，我們就知道了飛秒雷射是一種極其超短脈衝的雷射加工。近十年來，超短脈衝雷射加工技術取得突飛猛進的發展。

▌ 超短脈衝雷射的意義

人們很早就嘗試利用雷射進行微加工。但是由於雷射的長脈衝寬度和低雷射強度造成材料熔化並持續蒸發，雖然雷射束可以被聚焦成很小的光斑，但是對材料的熱衝擊依然很大，限制了加工的精度。唯有減少熱影響才能提高加工質量。

當雷射以皮秒量級的脈衝時間作用到材料上時，加工效果會發生顯著變化。隨著脈衝能量急劇上升，高功率密度足以剝離外層電子。由於雷射與材料相互作用的時間很短，離子在將能量傳遞到周圍材料之前就已經從材料表面被燒蝕掉了，不會給周圍的材料帶來熱影響，因此也被稱為「冷加工」。憑藉冷加工帶來的優勢，短與超短脈衝雷射器進入到工業生產應用當中。

雷射加工：長脈衝 VS 超短脈衝

超短脈衝加工能量極快地注入很小的作用區域，瞬間高能量密度沉積使電子吸收和運動方式發生變化，避免了雷射線性吸收、能量轉移和擴散等影響，從根本上改變了雷射與物質相互作用機制。

長脈衝雷射加工後的部位

超快雷射脈衝加工後的部位

▌ 雷射加工的廣泛應用

雷射加工包含高功率切割、焊接；微加工之鑽孔、劃線、切割、紋理、剝除、隔離等，各種雷射加工手段的主要用途有：

1. 鑽孔

電路板設計中人們開始用陶瓷基底代替常規的塑料基底以實現更好的導熱效果。為了連接電子元件，一般需要在板上鑽高達數十萬個μm級的小孔。因此保證基底的穩定性不會受到鑽孔過程時熱輸入的影響就變得十分重要，皮秒雷射正是這個應用的理想工具。

皮秒雷射能以衝擊鑽探的方式完成孔的加工，並保證孔的均勻性。除了電路板，皮秒雷射還可以對塑料薄膜、半導體、金屬膜和藍寶石等材料進行高質量鑽孔。

100μm不鏽鋼薄片，鑽孔，3.3ns vs 200fs ，1萬個脈衝，燒蝕閾值附近：

2. 劃線，切割

通過掃描的方式疊加雷射脈衝可以形成線。通常要通過大量的掃描可以深入到陶瓷內部，直到線的深度達到材料厚度的 1/6。然後沿著這些刻線從陶瓷基底上分離單個模塊。這種分離方法叫做劃線。

另一種分離方法是使用超短脈衝雷射燒蝕切割，也稱為消融切割。雷射對材料進行燒蝕，去除材料直到它被切透。這個技術的好處是加工的孔的形狀和尺寸具有較大的靈活性。所有的工藝步驟可以通過一臺皮秒雷射器完成。

皮秒雷射和納秒雷射在聚碳酸酯材料上進行劃線加工的不同效果。

3. 線燒蝕（去除鍍層）

另外一種經常被視作微加工的應用是在不損害或輕微損害基底材料的情況下精確去除塗層。燒蝕既可以是幾微米寬的線，也可以是幾平方釐米的大面積去除。

由於塗層的厚度通常遠小於燒蝕的寬度，以至於熱量不能在側面傳導。因此可以使用納秒級脈衝寬度的雷射。

高平均功率雷射、方形或矩形傳導光纖、平頂光強分布，這幾項技術的結合使得雷射面燒蝕得以在工業領域得到應用。例如：使用通快公司的 TruMicro 7060 雷射器去除薄膜太陽電池玻璃上的塗層。同樣的雷射器也可以應用在汽車工業中對抗腐蝕塗層進行去除，為後續焊接做準備。

4. 表面結構化

結構化可以改變材料表面的物理特性。根據荷花效應，疏水性表面結構讓水從表面流掉。用超短脈衝雷射器在表面創造亞微米結構可以實現這個特性，並可以通過改變雷射參數對所要創造的結構進行精確控制。

相反的效果，例如親水性表面，同樣可以實現，而且微加工還可以創造更大尺寸的結構。這些工藝可以用於發動機中的油箱來製造一些降低磨損的微結構，或者在金屬表面結構化實現與塑料的焊接。

5. 雕刻成型

雕刻成型是通過燒蝕材料創造三維形狀。儘管燒蝕的尺寸可能會超過傳統意義上所說的微加工的範疇，但是它所需的精度還是使它被劃分到這類雷射應用領域。皮秒雷射可以用於加工銑床的多晶金剛石刀具邊緣。

雷射是加工多晶金剛石的理想工具，多晶金剛石是可以製作銑刀刀刃的極為堅硬的材料。使用雕刻成型技術來加工銑刀的切屑槽和齒，這種情形下雷射的好處是非接觸和高加工精度。

微加工具有非常廣闊的應用前景，越來越多的生活用品正通過雷射微加工進入我們的視野。

雷射加工屬於無接觸式加工，具有後續工藝少，可控性好、易於集成，加工效率高、材料損耗小，環境汙染低等顯著優勢，已廣泛應用於汽車、電子、電器、航空、冶金、機械製造等行業，對提高產品質量、勞動生產率、自動化程度、減少材料消耗等起到愈來愈重要的作用。