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超快激光分束加工的优势及前景

作者:维尔克斯  时间:2020-9-25 9:42:12

超快激光器的功率的飙升能让超快激光分束加工真正适用于工业化的生产制造。可以使用分束器将高功率超快激光束分成多路低功率光束,可以同时进行更大面积的材料微加工,这项技术更加适用于需要进行大面积表面纹理加工的应用,如在机翼表面进行微结构加工来减少油耗,提升燃油效率,也可以应用于微钻孔,材料的微加工。

以分束器配合超快激光应用于污水处理的微钻孔为例。污水处理是目前急需取得技术进展的方向,随着工业化的普及,污水的排放量也逐年上升,而污水中含有的各种微小塑料,金属用普通的过滤网根本无法彻底处理干净,德国弗朗霍夫激光技术研究所(ILT)目前正在参与一个污水处理的研究项目。需要制作一个过滤器可以过滤掉10µm以上的微小塑料,而目前可以使用超短激光脉冲在薄金属箔上钻出直径仅为10µm的孔,但实际要将这种技术应用于工业化生产,显然效率过低,而配合我们目前的分束器,能够使得超快激光在经过DOE后,同时形成100多个二维点阵的光束,而且这些光束的波前,光束直径都是一模一样,变化的仅有能量,随着超快激光能量的提升,将分束器与超快激光配合,能够完美的达到工业化生产的要求,提高钻孔的速率。

显然分束器与超快激光的配合使用远远不止是微钻孔,对于更多样的激光加工,工业化生产,也有非常大的前景。

飞秒激光钙钛矿材料上加工纳米结构:

钙钛矿是一种新材料,由于其具有独特的性能,这种材料被看作是一种颇有前途的新兴太阳能材料;并且也正在用于开发各种微型光子学器件。虽然钙钛矿是一种很有潜力的新材料,但是它也拥有一项重大缺陷——这种材料非常难于加工。钙钛矿很容易在电子束、液体或高温的影响下发生降解,这使得在其表面上制造功能性纳米结构变得异常复杂。来自俄罗斯远东联邦大学(FEFU)和ITMO大学,以及德国、日本和澳大利亚的大学中的研究人员们,已经用飞秒激光脉冲科开发出了一种精确、快速且高质量地加工钙钛矿材料的方法,解决了上述难题。


1:在钙钛矿材料上加工二维码。(图片来源:Small

钙钛矿是一种由有机成分和无机成分组成的复合材料。目前使用飞秒级超短激光脉冲,对钙钛矿的有机部分进行快速加热、并使其蒸发。在整个加工过程中,需要调整激光强度,保证使材料的有机部分熔化/蒸发,而无机部分不受影响。通过这种非破坏性的加工方式,得到了颠覆式的特征可控的、高质量纳米级钙钛矿功能结构。这一突破能制造更加高精度的衍射光栅、微带激光器,以及用于光学传感器和光学芯片中的纳米激光器等

在钙钛矿太阳能电池生产中,使用普通激光将钙钛矿薄膜划切成单独的块体,这导致钙钛矿材料的最外层因为温度的影响而失去其功能特性。利用飞秒激光加工可以解决这个问题,制造出高性能的太阳能电池。此外,飞秒激光加工方法还可以改变钙钛矿块体的颜色,开发出各种颜色的太阳能电池板,这样一来,可以使整个被太阳能电池板覆盖的建筑物的颜色更加丰富多彩,不再是单调的黑色。 


飞秒激光加工钨材料微结构:

目前国际上已有的实例是罗切斯特大学的研究人员利用飞秒脉冲激光,在金属表面加工出纳米级的微结构,这种结构可以选择性地吸收太阳光的波长,而不吸收其他波长,进而开发出能够以极高效率吸收太阳能的金属表面。目前的钨普遍被用作用作太阳能热吸收剂,而在用飞秒激光进行纳米结构处理后,具有非常高的太阳能吸收效率。实验验证与未经处理的钨相比,经过纳米结构处理后,钨的太阳能利用效率高出了130%,这个发现也将提升目前对太阳光利用能力的一个新的阶梯。


2:利用飞秒脉冲激光在钨表面加工出纳米级的微结构,能大幅提升钨对太阳能的吸收。

飞秒激光在PMMA薄膜上精密钻孔:

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),又被称作是有机玻璃,有优异的抗紫外线和透光性,可以实现很高的能量转换效率。且材料纯度高,易于清洁,透明具有耐刮擦、重量轻等特点的刚性热塑性材料,不仅光学性能优良,其重量仅为玻璃的一半,但抗冲击力却是玻璃的10倍,目前PMMA被广泛应用于太阳能电池板的覆盖材料,LCD/LED电视屏幕、笔记本电脑、智能手机显示屏以及电子设备显示器的制造中。

目前加工PMMA主要使用长波长红外(IRCO2激光器。但仅适用于加工大尺寸特征,而随着科技发展,用于显示器和医疗器械中的PMMA薄膜,通常需要精密加工细微尺寸的特性(10~100μm),传统的红外激光器已经无法胜任,而飞秒激光脉冲的极高峰值功率,可以瞬间将材料移除,热影响区(HAZ)极小,能够实现精密冷加工,是加工尺寸100μm甚至更小尺寸。

NKT Photonics公司的ORIGAMI XP飞秒激光器,能够在1030nm波长处提供70μJ的脉冲能量,5W的平均功率,脉冲持续时间低于400fs。另外,ORIGAMI XP飞秒激光器还可以提供515nm343nm波长的输出。实验证明,它非常适合加工PMMA薄膜。


3:使用红外ORIGAMI XP激光器在厚度为100µmPMMA薄膜上钻孔。(图片来源:NKT Photonics


3是使用红外波段的ORIGAMI XP飞秒激光器,在厚度为100µmPMMA薄膜上,钻出的直径为25μm的微孔阵列和直径500μm的单个大孔。对直径为500µm的单个大孔进行测量,其边缘粗糙度≈2.5µmHAZ≈10µm,孔的边缘有许多毛刺。

4是使用绿光ORIGAMI XP飞秒激光器加工的情况,能明显改善钻孔的边缘质量,同时HAZ减小。从图4中呈现了非常干净的钻孔边缘,HAZ减小到≈4.5µm


4:使用绿光ORIGAMI XP激光器在厚度为100µmPMMA薄膜上钻孔。(图片来源:NKT Photonics

飞秒激光焊接超薄柔性玻璃:

近年来,有机发光二极管(OLED)凭借优异的色彩性能、高视角、高亮度、高灵活性和高效率,在显示领域备受关注。但OLED对氧气和湿度的高灵敏度,所以对封装有着严苛的要求,以防止寿命变短。OLED的封装要求以一种可重复的过程,用高度不透水的材料实现密闭封装,这对成本有很高的要求。另外,在封装粘合过程中产生的热量必须非常有限,以避免损坏或影响密封区域的零件功能。

虽然目前存在许多满足OLED的严苛封装要求,但每种技术都有自己的局限性。例如,可以在器件顶部沉积一层聚合物薄膜,这种薄膜虽然具有很高的柔韧性,但不能达到完美的密封性,因此依然存在寿命问题。此外,还可以使用原子层沉积技术,在器件顶部沉积不透水的氧化物涂层(通常为Al2O3);然而,这一过程不仅复杂,而且Al2O3薄层也容易受到损伤。最后,人们又想出了一种新方法:将OLED封装在两片超薄柔性玻璃之间;然而,虽然玻璃具有优异的密封性能,但需要使用聚合物对边缘密封,这同样会导致密封性受损。


5:使用超短脉冲激光封装OLED,将两块超薄柔性玻璃直接焊接在一起,不需要夹层。(图片来源:HWU

英国赫瑞-瓦特大学的一个研究小组开发一种用超薄柔性玻璃封装OLED的改进技术,目的是用皮秒脉冲激光将两块玻璃板焊接在一起,以提供真正的密封。下片玻璃作为OLED器件基板,上片玻璃提供光学透射封装。两片玻璃紧密接触,超短脉冲激光聚焦在两片玻璃相互接触的界面上。激光焦点处的极高强度(1.3x107W/cm2)会产生非线性吸收,并产生一个小的等离子体区,其周围的熔体区域不超过50μm,高度100μm。聚焦的激光束穿过材料,熔体重新凝固,形成连续的焊缝。由于焊缝非常窄,因此采用了间距很近的平行激光扫描,以生成多个平行焊缝,从而形成焊缝的总宽度。

目前已经可以在沉积的器件电极的存在下,将两片超薄(100μm)柔性玻璃焊接在一起。此外,研究人员还证明了有可能连接玻璃之间0.5μm的小间隙,从而简化工艺设置。研究报告指出,只要焊接结构适当,就可以保持导电性。气密性测试仍在进行中。


6:使用超短脉冲激光焊接两块超薄柔性玻璃的焊缝横截面显微图。(图片来源:HWU

飞秒激光氮化硅材料上钻30µm的微孔:

专注于激光钻孔几十年的瑞士Posalux公司,将飞秒激光技术与5轴扫描头相结合,将钻孔速度和钻孔精度都进一步提升。该系统可以在氮化硅(Si3N4)材料上钻出直径30µm以下的微孔,用于满足各种微电子产品的制造需求。而且,在钻孔形状上也有很大灵活性,不但可以加工圆孔,还可以加工矩形、圆锥形或其他形状的孔。


7:用脉宽在300fs以下的脉冲在Si3N4材料上钻孔,左图为直径小于30µm的圆孔,右图为25µm×25µm的矩形孔。 

该系统使用精密加工头控制激光束,实现钻孔的精密性和可重复性,飞秒激光的脉宽长度控制在300fs以下,以获得高质量的钻孔效果。如今,Posalux提供的飞秒激光钻床,已经能够为电子制造领域的大量高端需求提供解决方案。

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