紫外激光在精密加工技术行业的应用解析

本论文主要介绍了紫外激光加工技术，通过实验，比较紫外/红外两种激光加工材料的加工效果，发现与红外激光相比，加工时，紫外激光与红外激光相比，加工边缘更光滑，效率更高。对于用红外透过率较高的材料加工的红外器件而言，紫外激光具有明显的优势。

1、前言

在20世纪，激光技术是与原子能、半导体和计算机并称的四大发明之一。四十多年来，随着对小型电子和微电子元件需求的不断增加，加工材料(特别是聚合物材料以及高熔点材料)的精密处理技术正逐渐成为激光在工业应用中发展最快的领域之一.

激光加工是激光工业的重要应用，它比传统的机械加工更为精密、精确和快速。它利用激光与物质的作用来加工包括金属和非金属的各种材料，涉及焊接、切割、打标、打孔、热处理、成型等多种加工工艺。它独特的性质使其成为微处理的理想工具，目前在微电子、微机械、微光学加工三大领域得到了广泛地应用。

它是一种利用激光与物质相互作用的特性，对材料(包括金属和非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔和微加工等的一种加工技术。

激光加工有其独特的特点：

(1)范围很广：任何材料都可以雕刻切割。

(2)安全可靠：采用非接触方式加工，物料不受机械挤压或机械应力。

(3)精密、精细，加工精度可达0.01毫米。

(4)效果一致：保证同批加工效果一致。

(5)高速、快速：可以根据电脑输出的图样立即进行高速雕刻切割，而且比线切割速度更快。

(6)成本较低：不受加工数量的限制，激光加工对小批量加工服务较便宜。

(7)切割缝隙小：激光切割的割缝一般为0.02mm-0.05mm。

(8)切削表面光滑：激光切割表面没有毛刺。

(9)热变形小；激光加工中的激光切割缝细、速度快、能量集中，因此传递给切割材料的热量很少，导致材料变形小。

红外线设备技术中使用的材料(宝石等)、加工条件(精度、变形等)都需要激光加工。考虑到激光的种类很多，我们主要涉及红外激光设备和紫外激光加工系统。所以，希望通过实验，将同一种紫外/红外激光加工系统对同一种材料的加工效果进行比较，了解其特点和区别，并确定其适用范围和优势，为今后更好地发展特种材料加工作铺垫。

2.激光装置：

采用1.06微米的激光装置进行激光输出，单脉冲激光能量最大为60J，频率为1Hz-100Hz(连续可调)。在焦面上将激光聚焦，在焦面上的功率密度可以达到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，通过光学系统，将激光束聚集在很小的范围内，在极短的时间内，形成一个能量高度集中的局部热源区，使被焊件熔化，形成牢固的焊点和焊缝。

2.紫外线激光钻孔机：

UV激光钻孔机，采用高功率三倍频(DPSS)激光器，波长为355nm，平均功率为2.3W，最高频率可达100kHz，工件上的光斑直径可小至20μm。本机采用绘图软件，参数设置合理，能完成钻孔、刻线、切割等一系列操作。实验表明，这种紫外激光钻削加工所需有机材料主要有聚合物、纸制品等。无机盐的材料有金属，宝石，玻璃，陶瓷等。

3.紫外/红外激光比较：

红外线激光(波长1.06微米)是一种广泛用于材料处理的激光源。但在许多塑料和大量用作柔性电路板基体材料的特殊聚合物(例如聚酰亚胺)中，由于它们无法通过红外或“热”处理而得到精细加工。由于"热能"使塑料变形，在切割或钻孔的边缘造成碳化破坏，这可能导致结构削弱和寄生传导性途径，而必须增加一些后续处理工序来提高加工质量。所以，红外激光器不适合处理某些柔性电路。此外，即使高能量密度下，铜也不能吸收红外激光的波长，因此更严格地限制了其应用范围。

而紫外激光输出波长小于0.4微米，这是处理聚合物材料的主要优点。

不像红外线处理，紫外微处理不需要进行热处理，而大部分材料对紫外光的吸收要比红外光容易得多。高能量紫外光子直接破坏了许多非金属材料表面的分子键，采用这种冷光蚀处理工艺加工而成的零件边缘光滑，碳化程度最低。另外，紫外短波本身的特性对金属和聚合物的机械微处理更有利。它可聚焦于亚微米量级的点，因此能够对微小的零件进行加工，获得很高的能量密度，即使脉冲能量不大，也能有效地处理材料。

微孔洞在工业上的应用已相当广泛，其主要形式有两种：

其中一种方法是使用红外激光：加热材料表面的物质并蒸发(蒸发)去除材料，这种方法通常称为热加工。主要使用激光(波长为1.06μm)。

另一种是紫外激光：高能紫外光子直接破坏许多非金属材料表面的分子键，使其与物体分离而不产生高热，因此称为冷加工，主要使用紫外激光(波长355纳米)。

4.结论：

经过对比试验发现：

(1)激光加工比传统的机械加工更精确、更快速、更精确。

(2)从钻孔试验中可以看出：紫外激光在加工速度、打眼精度和质量效果方面比红外激光在加工速度、打孔精度和质量效果方面具有更大的优势。因此，对于一些直径精度、孔的表面质量要求以及加工材料熔点高的加工材料，可采用紫外激光代替红外激光。

(3)在切割过程中不难发现：用紫外激光切割一些金属，如铜膜、钼片等，具有切缝窄、热影响范围小、效率高等优点，适用于各种不同高精度微细薄膜器件的开发。尽管固态半导体泵紫外激光有很多优点，但如何通过工艺参数的优化与调整，更好地利用半导体泵紫外激光精密加工，是目前需要进一步探讨的问题。