激光光束整形的创新应用 收藏

微激光钻孔微激光钻孔是工业中最常见和最常用的激光加工之一各种各样的激光光源类型可以处理各种材料（金属、陶瓷、半导体、聚合物和有机材料等），具有前所未有的可重复性、准确性和速度微钻孔在许多行业中都很突出，例如汽车、航空航天和电子，甚至激光手术和食品行业。

例如，该工艺能够将高纵横比钻孔降至微米级，最近已为汽车行业开发了新的喷嘴，将发动机燃油效率提高到30％超短脉冲激光钻更小的孔、提高钻孔速度、提高孔的精度和质量，以及降低工艺的能耗，导致对提高工业加工的产量和质量的不断需求。

这符合新的特定需求，带来新的激光钻孔技术的正常发展最新的主要创新之一，是使用所谓的超短脉冲激光（USP）微加工工具超短脉冲激光器通常以高重复频率（有时每秒超过十万个脉冲）提供短而强的光脉冲这些激光器的突出特点，是它们可以在极短的时间内，大约一皮秒（10-12秒）到几十飞秒（10-15秒），集中脉冲的发光强度。

每个脉冲都带有一定量的能量，但其短促性使其能够获得相当高的峰值功率（高达几十瓦）对于USP激光，脉冲是如此短而且有能量，以致它们几乎瞬间去除被照射的材料这些激光器的超短脉冲不会像更常规的激光那样，通过能量被吸收为热量来移除材料，而是在没有热效应的情况下导致物质的电离。

这种效应被称为冷烧蚀，允许最小的内部应力、裂缝、毛刺和其他通常由吸热引起的缺陷2USP激光可以每秒快速钻高达数千个孔，7直径小于任何其他工艺（几微米；见图1）此外，由于该工艺对加工材料的后处理很少或几乎不需要，因此高速激光器可以以较低的成本提供高生产率，4并且越来越紧凑和经济的商用USP激光的可用性，证明了它们用于越来越多的工业应用。

图1.由飞秒激光脉冲钻出的燃料喷射头孔激光光束整形然而，为了真正最大化该加工的有效性、质量、分辨率和效率，有必要应用适合于给定应用的激光光束整形技术激光光束自然具有不均匀的横向能量分布（见图2），这可能导致不必要的能量损失、不准确性和钻孔不规则性。

材料的类型、孔的参数、钻孔的质量和生产率都是需要考虑的因素，并且需要优化激光脉冲的强度在加工材料中的分布方式

图2：激光光束强度的不均匀分布根据具体应用的需要，可能需要均匀地集中激光能量，将光束整形成一定的轮廓，或甚至生成若干光束以同时处理多个区域4,5并增加工艺的生产率例如，一种常用的光束形状是平顶轮廓（见图3a），这使得可以获得均匀强度的激光光斑，从而以更好的分辨率和规则的深度穿透。

另一种常用的形状是贝塞尔光束，它使传播的能量在长距离上强烈聚集在小而细长的区域中（见图3b）因此，对于具有高纵横比（深度与直径比远大于10:1的孔）的小直径孔（有时直径小于微米）的钻孔特别有用该形状特别用于加工透明材料，8例如玻璃或蓝宝石。

对于更具体的应用，可能需要产生更特定几何形状的光束，例如使用无掩模光刻来加工光子晶体或电子微元件因此，需要优化该工艺以将激光光束整形单元集成到激光微钻孔系统中存在几种类型的光束整形技术，例如折射光学元件（ROE）、衍射光学元件（DOE）和空间光调制器（SLM）。

这些技术通常以规模化生产使用，但取决于应用，它们往往在可获得的形状类型方面受到限制，受到浅景深（钻孔的有用深度）的影响，并且可能具有降低的效率和高价格最近，多平面光转换（MPLC）技术在光束整形方面提供了大量的自由度，同时具有高转换效率（> 95％）。

MPLC技术自2013年开始由法国CAILabs公司开发，在整形参数、景深和能效方面取得了创纪录的成果它可以为激光行业生成标准形状，例如平顶和贝塞尔光束（见图3），以及针对更具体应用的定制形状，无论使用何种波长。

此外，它还提供了新功能，例如多个光束的合束整形，可以生成复杂的形状

图3：平顶光束轮廓（a）和贝塞尔光束的实验强度分布（b）展望USP激光光源的不断发展，特别是在功率、效率和成本方面，使得USP激光微钻孔成为可以被越来越多的应用所使用的工艺该技术长期用于小批量生产的原型设计和微加工应用，现在以越来越高的生产率，用作越来越多的大规模应用的顶级方法，例如制造动脉支架、OLED面板和注射头。

为了确保足够的生产率和最佳的加工质量，激光光束整型可以最大限度地提高加工效率这就是为什么有必要采用光束整形技术，伴随着工艺的发展，能够应对新的微激光钻孔应用的挑战

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