脈沖光纖激光器在非金屬切割中的應(yīng)用

　　簡(jiǎn)介

　　雖然納秒脈沖光纖激光器通常被用于激光打標(biāo)，但是由于它的成本低廉，緊湊，可靠，不需要經(jīng)常維護(hù)，所以用它也非常適合用來進(jìn)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(shè)計(jì)，我們可以得到短脈沖和相對(duì)高的峰值功率，這些技術(shù)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(yīng)用于多通蒸發(fā)式切割過程中，監(jiān)測(cè)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(xiàng)技術(shù)提供了一個(gè)靈活、精確和合理的解決方案。而且這套設(shè)備基本上是一套簡(jiǎn)單的激光標(biāo)記系統(tǒng)。

　　這項(xiàng)切割技術(shù)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(fù)合材料，都涵蓋其中。切割速度可以很方便的發(fā)生改變，對(duì)于薄金屬板，可以做到小于10mm/min，對(duì)于厚的材料，切割速度可以大于1mm/min。當(dāng)用于切割比較厚的金屬時(shí)，必須采用切割線補(bǔ)償或光束擺動(dòng)等特殊技術(shù)來有效的擴(kuò)大切口寬度。相對(duì)于傳統(tǒng)激光切割，這些速度可能會(huì)比較慢，但對(duì)于很多應(yīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SPI激光器的所有SM/HS/HM型號(hào)都可以實(shí)現(xiàn)有效切割，但是每種機(jī)器的切割特點(diǎn)會(huì)略有不同，這與材料的選擇和要求的輸出有關(guān)。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(duì)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(huì)更好一點(diǎn)。

　　硅切割

　　硅材料（技術(shù)上說是一種金屬）被廣泛應(yīng)用在電子和太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)，其中有很多切割應(yīng)用。這種材料通常使用機(jī)械寶石切割輪進(jìn)行切塊或切削，但是對(duì)于很薄的材料有很多限制因素，而且邊緣切割會(huì)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(fù)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(duì)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(jìn)行切割的。同樣，材料的吸收率也是限制因素之一。關(guān)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(biāo)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(guān)鍵因素是其對(duì)1um波長(zhǎng)激光的吸收能力。很多塑料在這個(gè)波長(zhǎng)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(gè)例子：塑料標(biāo)簽，我們可以在其上打標(biāo)，同時(shí)只要對(duì)參數(shù)進(jìn)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(biāo)簽的標(biāo)記和外型切割

　　其他的例子包括保護(hù)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(gè)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(fù)合材料

　　如碳纖維材料等復(fù)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(duì)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(gè)有趣的應(yīng)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(yīng)用在蒸發(fā)切割當(dāng)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。