微激光鉆孔

微激光鉆孔是工業(yè)中最常見(jiàn)和最常用的激光加工之一。各種各樣的激光光源類型可以處理各種材料（金屬、陶瓷、半導(dǎo)體、聚合物和有機(jī)材料等），具有前所未有的可重復(fù)性、準(zhǔn)確性和速度。微鉆孔在許多行業(yè)中都很突出，例如汽車、航空航天和電子，甚至激光手術(shù)和食品行業(yè)。例如，該工藝能夠?qū)⒏呖v橫比鉆孔降至微米級(jí)，最近已為汽車行業(yè)開(kāi)發(fā)了新的噴嘴，將發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率提高到30％。

超短脈沖激光

鉆更小的孔、提高鉆孔速度、提高孔的精度和質(zhì)量，以及降低工藝的能耗，導(dǎo)致對(duì)提高工業(yè)加工的產(chǎn)量和質(zhì)量的不斷需求。這符合新的特定需求，帶來(lái)新的激光鉆孔技術(shù)的正常發(fā)展。最新的主要?jiǎng)?chuàng)新之一，是使用所謂的超短脈沖激光（USP）微加工工具。

超短脈沖激光器通常以高重復(fù)頻率（有時(shí)每秒超過(guò)十萬(wàn)個(gè)脈沖）提供短而強(qiáng)的光脈沖。這些激光器的突出特點(diǎn)，是它們可以在極短的時(shí)間內(nèi)，大約一皮秒（10^-12秒）到幾十飛秒（10^-15秒），集中脈沖的發(fā)光強(qiáng)度。每個(gè)脈沖都帶有一定量的能量，但其短促性使其能夠獲得相當(dāng)高的峰值功率（高達(dá)幾十瓦）。

對(duì)于USP激光，脈沖是如此短而且有能量，以致它們幾乎瞬間去除被照射的材料。這些激光器的超短脈沖不會(huì)像更常規(guī)的激光那樣，通過(guò)能量被吸收為熱量來(lái)移除材料，而是在沒(méi)有熱效應(yīng)的情況下導(dǎo)致物質(zhì)的電離。這種效應(yīng)被稱為冷燒蝕，允許最小的內(nèi)部應(yīng)力、裂縫、毛刺和其他通常由吸熱引起的缺陷。2USP激光可以每秒快速鉆高達(dá)數(shù)千個(gè)孔，7直徑小于任何其他工藝（幾微米；見(jiàn)圖1）。此外，由于該工藝對(duì)加工材料的后處理很少或幾乎不需要，因此高速激光器可以以較低的成本提供高生產(chǎn)率，4并且越來(lái)越緊湊和經(jīng)濟(jì)的商用USP激光的可用性，證明了它們用于越來(lái)越多的工業(yè)應(yīng)用。

圖1.由飛秒激光脈沖鉆出的燃料噴射頭孔

激光光束整形

然而，為了真正最大化該加工的有效性、質(zhì)量、分辨率和效率，有必要應(yīng)用適合于給定應(yīng)用的激光光束整形技術(shù)。激光光束自然具有不均勻的橫向能量分布（見(jiàn)圖2），這可能導(dǎo)致不必要的能量損失、不準(zhǔn)確性和鉆孔不規(guī)則性。材料的類型、孔的參數(shù)、鉆孔的質(zhì)量和生產(chǎn)率都是需要考慮的因素，并且需要優(yōu)化激光脈沖的強(qiáng)度在加工材料中的分布方式。

圖2.激光光束強(qiáng)度的不均勻分布