紫外激光在精密加工技術行業的應用解析

本論文主要介紹了紫外激光加工技術，通過實驗，比較紫外/紅外兩種激光加工材料的加工效果，發現與紅外激光相比，加工時，紫外激光與紅外激光相比，加工邊緣更光滑，效率更高。對于用紅外透過率較高的材料加工的紅外器件而言，紫外激光具有明顯的優勢。

1、前言

在20世紀，激光技術是與原子能、半導體和計算機并稱的四大發明之一。四十多年來，隨著對小型電子和微電子元件需求的不斷增加，加工材料(特別是聚合物材料以及高熔點材料)的精密處理技術正逐漸成為激光在工業應用中發展最快的領域之一.

激光加工是激光工業的重要應用，它比傳統的機械加工更為精密、精確和快速。它利用激光與物質的作用來加工包括金屬和非金屬的各種材料，涉及焊接、切割、打標、打孔、熱處理、成型等多種加工工藝。它獨特的性質使其成為微處理的理想工具，目前在微電子、微機械、微光學加工三大領域得到了廣泛地應用。

它是一種利用激光與物質相互作用的特性，對材料(包括金屬和非金屬)進行切割、焊接、表面處理、打孔和微加工等的一種加工技術。

激光加工有其獨特的特點：

(1)范圍很廣：任何材料都可以雕刻切割。

(2)安全可靠：采用非接觸方式加工，物料不受機械擠壓或機械應力。

(3)精密、精細，加工精度可達0.01毫米。

(4)效果一致：保證同批加工效果一致。

(5)高速、快速：可以根據電腦輸出的圖樣立即進行高速雕刻切割，而且比線切割速度更快。

(6)成本較低：不受加工數量的限制，激光加工對小批量加工服務較便宜。

(7)切割縫隙小：激光切割的割縫一般為0.02mm-0.05mm。

(8)切削表面光滑：激光切割表面沒有毛刺。

(9)熱變形小；激光加工中的激光切割縫細、速度快、能量集中，因此傳遞給切割材料的熱量很少，導致材料變形小。

紅外線設備技術中使用的材料(寶石等)、加工條件(精度、變形等)都需要激光加工。考慮到激光的種類很多，我們主要涉及紅外激光設備和紫外激光加工系統。所以，希望通過實驗，將同一種紫外/紅外激光加工系統對同一種材料的加工效果進行比較，了解其特點和區別，并確定其適用范圍和優勢，為今后更好地發展特種材料加工作鋪墊。

2.激光裝置：

采用1.06微米的激光裝置進行激光輸出，單脈沖激光能量最大為60J，頻率為1Hz-100Hz(連續可調)。在焦面上將激光聚焦，在焦面上的功率密度可以達到105-1013W/cm2。激光焊接也可用于激光焊接，利用激光束具有良好的指向性和高功率密度等特性，通過光學系統，將激光束聚集在很小的范圍內，在極短的時間內，形成一個能量高度集中的局部熱源區，使被焊件熔化，形成牢固的焊點和焊縫。

2.紫外線激光鉆孔機：

UV激光鉆孔機，采用高功率三倍頻(DPSS)激光器，波長為355nm，平均功率為2.3W，最高頻率可達100kHz，工件上的光斑直徑可小至20μm。本機采用繪圖軟件，參數設置合理，能完成鉆孔、刻線、切割等一系列操作。實驗表明，這種紫外激光鉆削加工所需有機材料主要有聚合物、紙制品等。無機鹽的材料有金屬，寶石，玻璃，陶瓷等。

3.紫外/紅外激光比較：

紅外線激光(波長1.06微米)是一種廣泛用于材料處理的激光源。但在許多塑料和大量用作柔性電路板基體材料的特殊聚合物(例如聚酰亞胺)中，由于它們無法通過紅外或“熱”處理而得到精細加工。由于"熱能"使塑料變形，在切割或鉆孔的邊緣造成碳化破壞，這可能導致結構削弱和寄生傳導性途徑，而必須增加一些后續處理工序來提高加工質量。所以，紅外激光器不適合處理某些柔性電路。此外，即使高能量密度下，銅也不能吸收紅外激光的波長，因此更嚴格地限制了其應用范圍。

而紫外激光輸出波長小于0.4微米，這是處理聚合物材料的主要優點。

不像紅外線處理，紫外微處理不需要進行熱處理，而大部分材料對紫外光的吸收要比紅外光容易得多。高能量紫外光子直接破壞了許多非金屬材料表面的分子鍵，采用這種冷光蝕處理工藝加工而成的零件邊緣光滑，碳化程度最低。另外，紫外短波本身的特性對金屬和聚合物的機械微處理更有利。它可聚焦于亞微米量級的點，因此能夠對微小的零件進行加工，獲得很高的能量密度，即使脈沖能量不大，也能有效地處理材料。

微孔洞在工業上的應用已相當廣泛，其主要形式有兩種：

其中一種方法是使用紅外激光：加熱材料表面的物質并蒸發(蒸發)去除材料，這種方法通常稱為熱加工。主要使用激光(波長為1.06μm)。

另一種是紫外激光：高能紫外光子直接破壞許多非金屬材料表面的分子鍵，使其與物體分離而不產生高熱，因此稱為冷加工，主要使用紫外激光(波長355納米)。

4.結論：

經過對比試驗發現：

(1)激光加工比傳統的機械加工更精確、更快速、更精確。

(2)從鉆孔試驗中可以看出：紫外激光在加工速度、打眼精度和質量效果方面比紅外激光在加工速度、打孔精度和質量效果方面具有更大的優勢。因此，對于一些直徑精度、孔的表面質量要求以及加工材料熔點高的加工材料，可采用紫外激光代替紅外激光。

(3)在切割過程中不難發現：用紫外激光切割一些金屬，如銅膜、鉬片等，具有切縫窄、熱影響范圍小、效率高等優點，適用于各種不同高精度微細薄膜器件的開發。盡管固態半導體泵紫外激光有很多優點，但如何通過工藝參數的優化與調整，更好地利用半導體泵紫外激光精密加工，是目前需要進一步探討的問題。