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中红外激光器的应用

作者:维尔克斯  时间:2021-10-18 9:30:50

很多人对中红外光谱区域及中红外应用仍然不熟悉,因为在这个波长范围内只有很少的激光器可供商用。你知道中红外光谱的波长范围是多少吗?答案是2.5~25um,该区域包含两个主要大气传输窗口(3-5 μm 8-12 μm 区域),大气中主要成分的吸收非常低,激光器的输出波长可以以远距离传播,在特殊领域有很多应用,比如导弹反制措施、自由空间通信。

2.8um波长的中红外激光器应用广泛。遥感、通讯、医疗等领域是它的主要应用。这种中红外激光器逐渐成为研究热点,如何提高光束质量、提升平均功率较高、提高激光效率是科研工作者研究的课题。

近年来,中红外激光器针对材料加工(非金属激光加工:切割、钻探、表面处理等)、外科手术(微创激光手术)等新技术的应用越来越多,因为它在中红外应用领域具有独特的优势:中红外激光器可以被材料或分子选择性吸收,且与紫外线吸收相比,在电子、光子或医疗行业多层设备的激光处理中不影响其他相邻层。

中红外是大多数液体、气体和非金属(如塑料、眼睛或其他生物组织)的共振的光谱区域。如水、甲烷、二氧化碳和聚合物的强吸收带大多位于中红外线区域。当中红外激光的发射波长与这些材料共振重叠时,这些材料或分子有选择地吸收激光光谱,可以更好地吸收意味着更好的控制精度、控制效率、加工速度,可应用于手术,也可用于材料处理,还可用于信噪比更优的显微镜。本文详细介绍中红外激光器的应用。

中红外激光器的应用——对聚合物的激光处理原理:

CO2波长在 9.3~10.6 μm,已经广泛用于聚合物加工,而大多数聚合物被激光辐射强吸收在这个光谱范围内。但CO2激光器只能用于粗加工,因为处理精度受到波长和脉宽(一般>us)的根本限制,聚焦后光束直径随激光波长成正比增加:原理图如下:

由于中红外激光输出相对于CO2激光器输出相比,具有较短的波长和较短的脉冲持续时间,因此,3μm左右的中红外激光激光器对聚合物的精确的提升有很大帮助。聚合物包括PMMAPET、聚酰胺、尼龙-聚酰胺、PLAPC。典型的如下:

Femtum中红外激光器对聚合物的激光处理实例:

1) 光纤激光剥离。

随着现代化工业的迅速发展,激光制造的要求越来越高,要加工的材料的复杂性也在不断提高。在微电子、医疗和半导体行业,很多要加工的物由不同材料堆叠而成,要求激光必须单独处理一种材料而不影响其他材料,以确保被加工物质的可靠性。比如传统的光纤剥离的过程非常耗时,且工业难度大。在通讯领域中,光纤部件在恶劣的环境中使用,因而必须具有出色的机械性能;在高功率光纤激光行业用到的光纤泵组合器、光纤电缆、光纤类布拉格光栅 (FBG),这些光纤组件必须具有非常高的损伤阈值,且耐高温。

光纤由核心Core和玻璃材料Clad(大部分是二氧化硅)组成,由聚合物涂层Coating(Polymers)保护。在纤维基部件的制造中,最关键的部分之一是去除聚合物涂层Coating。当前剥离技术(机械钳子或化学溶剂)会损坏纤维或影响剥离边缘质量,导致光纤部件发生不必要的燃烧或断裂。虽然CO2激光器可以很容易地使聚合物涂层消融,但会影响聚合物涂层下面的玻璃Clad,从而降低光纤的机械强度和稳定性。Femtum中红外激光器可以发射约2.8μm的短脉冲被聚合物涂层(如丙烯酸酯)强烈吸收以精确的方式使聚合物消融,而不会影响下面的玻璃Clad,因此不会影响光纤的机械特性,并且无需清洁措施即可保持干净的边缘。

2) 聚酰胺纤维剥离。

使用这种技术可以去除各种类型的聚合物,包括难以用标准技术剥离的聚酰胺涂层纤维。激光剥离的聚酰胺纤维如下图:

3) 聚合物表面波导的激光加工。

表面波导可用于不同的应用:温度或压力监测、物质识别、浓度水平等。原理是光线通过表面波导引导,强度在另一端测量。如果与波导外表面接触的物质的折射指数发生变化,则接收端的光线强度也会相应变化。通过描述折射索引与其他参数之间的关系,可以通过表面波导来感知这些参数。

PMMA 和聚碳酸酯表面波导精确加工(刻印)过程如下:


Femtum 的 2.8-3.4um可调超快光纤激光器正在成为聚合物生物传感器处理的第一选择,因为波长可调,能够在几乎任何聚合物中以高效率进行表面波导的加工。


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