簡介
雖然納秒脈沖光纖激光器通常被用于激光打標,但是由于它的成本低廉,緊湊,可靠,不需要經(jīng)常維護,所以用它也非常適合用來進行非金屬切割。通過采用直接調(diào)制種子激光的MOPA(主控振蕩器的功率放大器)等設計,我們可以得到短脈沖和相對高的峰值功率,這些技術把激光器變成切割非金屬的有效工具。
作為一種連續(xù)波型切割器的替代品,脈沖光纖激光器可以應用于多通蒸發(fā)式切割過程中,監(jiān)測裝置控制激光來回通過切割線,每次僅切除很少的金屬,并且不需要噴嘴和輔助氣體。這項技術提供了一個靈活、精確和合理的解決方案。而且這套設備基本上是一套簡單的激光標記系統(tǒng)。
這項切割技術可以廣泛適用于各種材料,從有色金屬、非有色金屬,到陶瓷、高分子材料甚至含碳復合材料,都涵蓋其中。切割速度可以很方便的發(fā)生改變,對于薄金屬板,可以做到小于10mm/min,對于厚的材料,切割速度可以大于1mm/min。當用于切割比較厚的金屬時,必須采用切割線補償或光束擺動等特殊技術來有效的擴大切口寬度。相對于傳統(tǒng)激光切割,這些速度可能會比較慢,但對于很多應用來說,納秒脈沖光纖激光器的低成本和靈活性是非常具有吸引力的。
實驗結(jié)果表明,SPI激光器的所有SM/HS/HM型號都可以實現(xiàn)有效切割,但是每種機器的切割特點會略有不同,這與材料的選擇和要求的輸出有關。以窄切縫寬度為例,具有高品質(zhì)光束和較小光斑的SM型激光器最為適合,而對于較厚的材料,采用具有更高峰值功率和較大尺寸光斑的HM型效果會更好一點。
硅切割
硅材料(技術上說是一種金屬)被廣泛應用在電子和太陽能產(chǎn)業(yè),其中有很多切割應用。這種材料通常使用機械寶石切割輪進行切塊或切削,但是對于很薄的材料有很多限制因素,而且邊緣切割會造成剝落。脈沖激光器提供了一種靈活的替代方案,它可以用來切割復雜形狀的型材。使用20W SM型激光器,可以在6秒中切割出5mm的正方形。
圖1 從200um厚的多晶硅中切割出的正方形
陶瓷切割
工業(yè)界對陶瓷切割需求很大。在電子行業(yè)里,很多薄基板材料是通過劃線、打破或切削來進行切割的。同樣,材料的吸收率也是限制因素之一。關鍵材料是氧化鋁和氮化鋁,它們能被1um激光切割的能力取決于材料的特殊性和表面光潔度。下圖為綠色的氮化鋁從基板上快速的被切割出來。(圖2和圖3)
圖2 使用40W HM 激光器經(jīng)過6次50mm的切割出的3mm厚氮化鋁綠色陶瓷
圖3 使用20W HS激光器切割和標記的0.7mm厚鋁陶瓷
非金屬切割
脈沖激光器還可以用來切割很多非金屬材料,比如塑料、橡膠等。決定該材料是否適合用激光切割的關鍵因素是其對1um波長激光的吸收能力。很多塑料在這個波長范圍內(nèi)有很高的傳輸系數(shù),所以不適合采用激光的方法切割,但是一些材料還是可以被切割的。塑料切割的一個例子:塑料標簽,我們可以在其上打標,同時只要對參數(shù)進行很小的修改,就可以從基板上切割出來。(圖4)
圖4 在熱收縮材料中的標簽的標記和外型切割
其他的例子包括保護性塑料覆蓋層的切割,比如通常用在電纜和電線上的金屬等。(圖5)
圖5 使用20W HS激光器從銅基板中切割出絕緣塑料
一些特別的橡膠材料同樣可以有效的切割到令人驚訝的厚度。下圖是一個4mm厚的黑色橡膠板,側(cè)面有1mm的貫穿小孔。(圖6)
圖6 使用20WHS激光器切割的4mm橡膠
復合材料
如碳纖維材料等復合材料最大可以切割深度為1mm,但是加工條件需要根據(jù)材料本身調(diào)整,比如一些材料對碳化非常敏感。另外還可以切割多層材料,電子行業(yè)中,一個有趣的應用是20W HS激光器在橫斷面部件的使用。激光的靈活性允許不同材料層的切割。(圖7)
圖7 使用20W HS激光器切割出的集成電路片來說明不同的分層
總結(jié)
納秒脈沖光纖激光器非常適合應用在蒸發(fā)切割當中,以上的例子表明,很多種金屬都可以由激光器來完成切割,這也顯示出這種激光器的多功能性。