飛秒激光器加工精度
發(fā)布時(shí)間：2021-02-18 11:25
飛秒激光器加工精度技術(shù)，那才更牛，可以加工30微米以下的高精度小孔！
飛秒激光器加工精度是基于多光子非線性吸收和電離機(jī)制， 而不是光子能量線性吸收而形成的熱積累，因此，避免了熱傳導(dǎo)效應(yīng)。當(dāng)飛秒光脈沖作用于材料的表面或者透明材料的內(nèi)部，由于光脈沖的持續(xù)時(shí)間極短，光脈沖的作用區(qū)域極小，光強(qiáng)度極高，通過非線性吸收過程，激光脈沖的能量來不及向作用點(diǎn)周圍傳遞，光脈沖的作用過程或者加工過程就已經(jīng)結(jié)束，因此產(chǎn)生的熱量幾乎可以忽略不計(jì)，被加工的材料幾乎沒有熱損傷。
激光器方面我國激光器+激光設(shè)備行業(yè)目前合計(jì)的市場規(guī)模達(dá)到了658億元（2019年），2013年行業(yè)僅為194億，2013-2019年經(jīng)歷長達(dá)7年 的正增長。飛秒激光器切割好學(xué)嗎？在激光切割方面，激光對(duì)于傳統(tǒng)切割方式的滲透度約26.26%~30.65%，在激光切割設(shè)備中，高功率（1500W以上）占比僅為20.8%；在激光焊接方面，由于成本原因，激光焊接占焊接市場比例較小，目前更多地應(yīng)用于汽車/電池/精密金屬加工/光通訊等。
飛秒激光器加工精度簡介
所謂飛秒激光器加工精度，即使用頻率非常高的激光對(duì)材料進(jìn)行鉆孔，飛秒是時(shí)間單位，1飛秒等于一千萬億分之一秒，相對(duì)于傳統(tǒng)激光加工設(shè)備，飛秒激光器由于脈沖時(shí)間極短，被加工物體不會(huì)被加熱，特別適合加工30微米以下的高精度小孔。
對(duì)于飛秒激光器而言，脈沖作用時(shí)間已經(jīng)實(shí)際小于1 ps，電子沒有足夠的時(shí)間將能量傳遞給晶格。從而在材料表面生成眾多等離子體，能量伴隨著材料的去除而消散，因此出現(xiàn)強(qiáng)烈的燒蝕效果。
用飛秒激光器進(jìn)行加工，激光脈沖能量極快地注入很小的作用區(qū)域，瞬間高能量密度沉積使電子吸收和運(yùn)動(dòng)方式發(fā)生變化，從根本上改變了激光與物質(zhì)相互作用機(jī)制。
飛秒激光器加工精度的作用原理
飛秒激光器作用于金屬和非金屬加工時(shí)原理完全不同，金屬表面存在大量的自由電子，當(dāng)激光照射金屬表面時(shí)，自由電子會(huì)瞬間被加熱，數(shù)十飛秒內(nèi)讓電子電子發(fā)生碰撞，自由電子將能量傳道給晶格，形成開孔。但由于自由電子碰撞的能量要比離子小的多，所以傳導(dǎo)能量需要較長時(shí)間，但目前該難題已被我國科學(xué)家攻克。
在飛秒激光器作用于非金屬材料時(shí)，由于材料表面自由電子較少，激光照射時(shí)先要使得材料表面電離，進(jìn)而產(chǎn)生自由電子，剩下的環(huán)節(jié)與金屬材料一致。飛秒激光器加工微孔時(shí)，在初級(jí)階段先形成一個(gè)小坑，隨著脈沖數(shù)量的增多，坑深度不斷增加，但隨著深度的增加，坑底的碎屑飛出的難度也越來越大，導(dǎo)致激光向底部傳播的能量越來越少，最終達(dá)到深度不可增加的飽和狀態(tài)，即打完一個(gè)微孔。
按照波長來劃分，連續(xù)光纖激光器一般屬于近紅外光；IPG指引激光器正在向低波長延伸。
光纖激光器，按照光的波長來劃分，一般是從可見光到近紅外光（500nm到1.5μm之間），其特點(diǎn)是：金屬對(duì)該波長 范圍內(nèi)的光吸收能力較強(qiáng)，近紅外光適用于金屬加工。
按照IPG年報(bào)指引，激光器正在向低波長延伸，半導(dǎo)體激光器、可見光激光器（藍(lán)光、綠光等）及UV激光器等是其目 前主要拓展的產(chǎn)品。而傳統(tǒng)的二氧化碳激光器、固體激光器（鉺固體激光器、銩固體激光器等）則屬于中紅外、遠(yuǎn)紅外 波長范圍。
突破飛秒激光器加工精度技術(shù)
雖然飛秒激光器鉆孔技術(shù)擁有如此神奇的魔力，但其開發(fā)難度也是非常大的，特別是進(jìn)行系統(tǒng)集成化、技術(shù)工程化的努力遭遇了各種困難，輸出功率也有限制。此外，如何能形成一套完整的微孔加工工業(yè)也是世界性難題，但通過我國科學(xué)家的努力，不但實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的實(shí)用化和集成化，還發(fā)明出了螺旋加工工藝，可以私人訂制不同形狀的微孔，可以說是達(dá)到了國際領(lǐng)先的地步。
根據(jù)我們的估算，我國冷切割設(shè)備存量約為16.62萬臺(tái)，熱切割設(shè)備存量約為10萬臺(tái)；
而根據(jù)中國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告（2019）及我們的估算，到2019年底我國切割用激光設(shè)備存量為7~8.16萬臺(tái)；
不考慮效率差異，激光對(duì)于傳統(tǒng)切割方式的滲透度約26.26%~30.65%；
而激光切割在中厚板場景下效率遜于等離子切割設(shè)備，因此實(shí)際滲透度可能低于上述估算值；
由于在激光切割設(shè)備中，高功率（1500W以上）占比僅為20.8%，高功率對(duì)于傳統(tǒng)中厚板切割方式的滲透度更低。
