超快激光在鎢材加工領域的應用

張衛剛，李媛媛，董新飛，王 鵬，閆文娟

（1.西部金屬材料股份有限公司，陜西 西安 710201；2.西安天力金屬復合材料有限公司，陜西 西安 710201）

1 超快激光的原理和應用

根據輸出方式的不同，可將激光器分為連續激光器和脈沖激光器。其中：連續激光器，可以在較長一段時間內連續輸出激光，工作穩定、熱效應高，其輸出激光在穩定運行時的任何時刻都保持連續不中斷。其一般用于金屬材料的連續高速切割、焊接，以及表面熱處理、激光熔敷等宏觀加工。脈沖激光器，是將激光以脈沖形式，按照一定的頻率、幅度、波形被調制后呈現周期性輸出，每一個光脈沖周期內的最高功率即為脈沖光纖激光器的峰值輸出功率。以脈沖形式輸出激光，主要特點是峰值功率高、熱效應小。特別適合于高精度打標、精密焊接、精密切割等微觀領域加工。激光峰值功率等于脈沖能量除以脈沖持續時間（即脈寬）。單脈沖能量一般比較固定，為了獲得高的峰值功率，主要是通過降低脈寬，即脈沖持續時間。因此，根據脈沖時間的差異，根據脈沖時間的差異，脈沖激光器分為納秒激光器、皮秒激光器、飛秒激光器乃至阿秒激光器。具體如表1所示。

表1 激光器的脈沖寬度量級

一般地，我們把脈沖寬度在納秒量級的稱為長脈沖激光，而把脈沖寬度在皮秒甚至飛秒量級的稱為超快激光。兩者的原理對比如圖1所示。其中：長脈沖激光是利用激光能量的熱堆積，使作用區域材料熔化乃至揮發，過程中會產生大量的飛濺物與微裂紋，且激光持續時間越長，熱影響區越大。超快激光則是一種超短的脈沖激光，具有極短的作用時間和超高的峰值功率等特性，隨著脈沖能量急劇上升，高功率密度可以在極短的時間內向材料注入巨大的能量，足以剝離外層電子，從而直接打斷材料分子鍵，使作用區域的材料瞬間電離，而且由于激光與材料相互作用的時間很短，離子在將能量傳遞到周圍材料之前就已經從材料表面被燒蝕掉了，不會給周圍的材料帶來熱影響，也不會出現加工面的熔融、裂縫現象，可以實現非熱熔性的“冷加工”，而且由于其具有高精度、高質量、高分辨率的特性，因此，超快激光加工已經成為各領域極端制造的最佳手段之一。

圖1 長脈沖激光和超快激光的加工原理對比圖

超快激光中，對材料能夠干凈地實現切割加工，并且不破壞周圍區域或形成粗糙的邊緣，主要用于精密加工。加工的材料包括玻璃、藍寶石、熱敏材料等。應用的行業包括OLED、半導體、醫學等精密行業。其中，飛秒的時間為10-15秒，脈沖時間很短，因此，飛秒激光也是目前工業精密加工領域最先進的激光技術。而阿秒的時間為10-18秒，脈沖時間極其短，2017年，瑞士蘇黎世聯邦理工學院的托馬斯教授團隊將阿秒激光的脈沖時間縮短到了43阿秒，代表著目前這一領域的世界最高水平。由于阿秒激光的潛在應用價值極其巨大，已被美國、歐洲、日本等列為未來10年激光科學發展最重要的發展方向之一，但目前阿秒激光主要還是應用在前沿物理等科學研究領域。

2 超快激光的市場競爭格局

當前，國外超快激光器公司發展呈現兩個格局：一是擁有自己的核心技術，然后被激光行業的龍頭企業收購，投入大企業的懷抱；二是自身獨立發展。目前被大企業收購成為主流，主要在于超快激光企業一般都屬于初創企業，規模不大，但激光行業龍頭企業關注到超快激光較快的增長和市場潛力，紛紛通過并購進入到超快激光行業。國內的超快激光器目前處于發展初期，但是也誕生出了華日激光、貝林激光、安揚激光、中科微精等優秀企業。如表2所示。從產品的布局來看，目前大部分企業都已經具備皮秒激光的量產能力，逐漸提升皮秒激光器的功率，目前最高功率達到50W。飛秒激光器目前主要為國外廠家為主，特別是紫外飛秒激光器基本上處于被國外企業壟斷的局面，當然，國內部分企業在紫外飛秒激光器研制方面取得了一定突破。

表2 國內典型激光器企業

3 超快激光鎢材精密加工中的應用

鎢是熔點最高的難熔金屬材料，具有耐高溫、高密度、高強度、防射線屏蔽等優異功能，在航空、核電、醫療等領域有著廣泛的應用。但也正由于鎢的熔點高、強度大，因此其加工難度也比較大，尤其是在很多高端儀器設備應用領域，需要對鎢材進行微米級別的精密切割和打孔實驗。本文嘗試利用國內領先的激光技術對鎢薄片材進行激光打孔實驗。本文使用國內激光器領先企業武漢華日精密激光股份有限公司的測試平臺，所使用的試樣為西安瑞福萊鎢鉬有限公司生產的0.1mm高品質純鎢薄片，如圖2所示。經過反復嘗試優化，我們最終優化的激光參數為：波長為532nm，功率為1.73w，脈沖寬度為300飛秒，耗時0.13秒/孔。

圖2 西安瑞福萊鎢鉬有限公司0.1mm厚純鎢薄片

圖3 激光入口側直徑為16.6um±0.6um

圖4 激光出口側直徑為8.9um±0.6um

實驗結果顯示，利用飛秒激光器能夠對鎢板材進行精密切割加工，且加工精度良好，激光加工的孔形較圓，正面孔的直徑為16.6um±0.6um，背面孔的直徑為8.9um±0.6um，上下面的錐度為8.4%。如圖3、圖4所示。