脉冲光纤激光器在非金属切割中的应用

　　简介

　　虽然纳秒脉冲光纤激光器通常被用于激光打标，但是由于它的成本低廉，紧凑，可靠，不需要经常维护，所以用它也非常适合用来进行非金属切割。通过采用直接调制种子激光的MOPA（主控振荡器的功率放大器）等设计，我们可以得到短脉冲和相对高的峰值功率，这些技术把激光器变成切割非金属的有效工具。

　　作为一种连续波型切割器的替代品，脉冲光纤激光器可以应用于多通蒸发式切割过程中，监测装置控制激光来回通过切割线，每次仅切除很少的金属，并且不需要喷嘴和辅助气体。这项技术提供了一个灵活、精确和合理的解决方案。而且这套设备基本上是一套简单的激光标记系统。

　　这项切割技术可以广泛适用于各种材料，从有色金属、非有色金属，到陶瓷、高分子材料甚至含碳复合材料，都涵盖其中。切割速度可以很方便的发生改变，对于薄金属板，可以做到小于10mm/min，对于厚的材料，切割速度可以大于1mm/min。当用于切割比较厚的金属时，必须采用切割线补偿或光束摆动等特殊技术来有效的扩大切口宽度。相对于传统激光切割，这些速度可能会比较慢，但对于很多应用来说，纳秒脉冲光纤激光器的低成本和灵活性是非常具有吸引力的。

　　实验结果表明，SPI激光器的所有SM/HS/HM型号都可以实现有效切割，但是每种机器的切割特点会略有不同，这与材料的选择和要求的输出有关。以窄切缝宽度为例，具有高品质光束和较小光斑的SM型激光器最为适合，而对于较厚的材料，采用具有更高峰值功率和较大尺寸光斑的HM型效果会更好一点。

　　硅切割

　　硅材料（技术上说是一种金属）被广泛应用在电子和太阳能产业，其中有很多切割应用。这种材料通常使用机械宝石切割轮进行切块或切削，但是对于很薄的材料有很多限制因素，而且边缘切割会造成剥落。脉冲激光器提供了一种灵活的替代方案，它可以用来切割复杂形状的型材。使用20W SM型激光器，可以在6秒中切割出5mm的正方形。

图1 从200um厚的多晶硅中切割出的正方形

　　陶瓷切割

　　工业界对陶瓷切割需求很大。在电子行业里，很多薄基板材料是通过划线、打破或切削来进行切割的。同样，材料的吸收率也是限制因素之一。关键材料是氧化铝和氮化铝，它们能被1um激光切割的能力取决于材料的特殊性和表面光洁度。下图为绿色的氮化铝从基板上快速的被切割出来。（图2和图3）

图2 使用40W HM 激光器经过6次50mm的切割出的3mm厚氮化铝绿色陶瓷

图3 使用20W HS激光器切割和标记的0.7mm厚铝陶瓷

　　非金属切割

　　脉冲激光器还可以用来切割很多非金属材料，比如塑料、橡胶等。决定该材料是否适合用激光切割的关键因素是其对1um波长激光的吸收能力。很多塑料在这个波长范围内有很高的传输系数，所以不适合采用激光的方法切割，但是一些材料还是可以被切割的。塑料切割的一个例子：塑料标签，我们可以在其上打标，同时只要对参数进行很小的修改，就可以从基板上切割出来。（图4）

图4 在热收缩材料中的标签的标记和外型切割

　　其他的例子包括保护性塑料覆盖层的切割，比如通常用在电缆和电线上的金属等。（图5）

图5 使用20W HS激光器从铜基板中切割出绝缘塑料

　　一些特别的橡胶材料同样可以有效的切割到令人惊讶的厚度。下图是一个4mm厚的黑色橡胶板，侧面有1mm的贯穿小孔。（图6）

图6 使用20WHS激光器切割的4mm橡胶

　　复合材料

　　如碳纤维材料等复合材料最大可以切割深度为1mm，但是加工条件需要根据材料本身调整，比如一些材料对碳化非常敏感。另外还可以切割多层材料，电子行业中，一个有趣的应用是20W HS激光器在横断面部件的使用。激光的灵活性允许不同材料层的切割。（图7）

图7 使用20W HS激光器切割出的集成电路片来说明不同的分层

　　总结

　　纳秒脉冲光纤激光器非常适合应用在蒸发切割当中，以上的例子表明，很多种金属都可以由激光器来完成切割，这也显示出这种激光器的多功能性。