激光和水的結合—水刀激光切割技術

水刀引導式激光器是激光器技術和水流技術的混合技術。在這個獨一無二的激光切割工藝中，一個纖幼線狀水刀被用作光波導，以使高功率激光射在工件上。與傳統激光切割工藝相比，這種方法的主要優勢在於：（1）平行的側壁；（2）工件的低熱量輸入，歸功於工件在激光脈衝之間的冷卻恰好發生在它之前被加熱的位置；（3）熔融金屬及時排出，歸功於水刀的高動量。相比與鋸切，這種技術切割金屬可以達到無毛刺效果，施加在工件上的機械壓力也小得多。  水刀引導激光切割系統的圖示見圖1，其中使用的水刀是5至50兆帕的純去離子水和過濾水。噴嘴是由藍寶石或鑽石製成，以確保能夠産生長而穩定的水刀。激光光束，通過光纖由激光器傳出，被校準，經過擴束器，然後集中穿過一個石英窗口，進入噴嘴。耦合單元和平常的光纖耦合單元類似，只除了噴嘴裏的光亮度分佈是平頂的，而且沒有高斯分佈， 。當激光進入水刀中，光在空氣和水的介面處發生完全內反射(見圖二). Figure 1. Schematic of the waterjet-guided laser.    Figure 2. Detailed sketch of the coupling unit set-up  在切割過程中，工件被固定在一個CNC工作臺上，在水刀引導的激光光束下朝著一個方向移動。光頭沿著與之垂直的方向移動，只有在爲了適應不同水壓下的不同噴嘴尺寸的各種工作距離時，才有必要變動工作臺和工件之間的距離。在切割過程中不會變動。  五年多以來，這一工具已經在很多加工方面得到應用。在這期間，與傳統激光切割技術相比，LMJ水刀引導激光器在工業應用方面顯示出各種各樣的優勢。

通常，LMJ技術使用固體Nd:YAG紅外激光器（1064nm,50-200W）。紅外水刀引導激光器應用在矽、陶瓷和硬金屬、立方氮化硼、錳鋅系磁芯以及金屬薄膜上有很高的效率。使用這一類型的激光器可獲得優於磨鋸方法8倍的切割速度。LMJ系統在諸如GaAs、GaN以及銅這樣的脆而難以機械加工的材料上具有很高的效率。                                                                       Figure 3. Seventy-five-micron thick GaAs wafer cut with the 200W                                           green laser and a nozzle of 60 microns in diameter.

這些材料對於去離子水的接觸不敏感。所有的半導體産品都是通過平版印刷以及濕蝕刻加工生産的，並且經常和去離子水以及含水的方法接觸。所以在這些材料的切割過程中，水的參與是完全可以的。

                                          

                                                                         Figure 4. Water absorption coefficient.

因爲綠光（532nm）的吸收係數比紅外光稍少，我們做了一個試驗，用200W的綠光激光器，看看在獲得和紅外激光器相同的切割質量的情況下是否能夠得到更快的速度。結果是正面的，200W的綠光激光器完全可以輕易得到更高的速度，特別在半導體工業，水刀激光器技術的優勢能夠轉化爲無碎片、無毛刺以及無破損角，甚至像75微米的晶片那么薄也沒問題。 

迄今爲止，這項技術僅僅使用了紅外和綠光激光器。從而材料適用的範圍限制在對這些波長有充足吸收率的材料中。所以，切割透明材料（玻璃、鑽石、藍寶石、透明聚合物）是很難的，甚至是不可能的。紫外光在透明材料中有更好的吸收率，所以一個適用紫外激光的設想在微噴射技術領域被提出。 

一個適用於紫外波長的裝置已經建立,它使用了石英和CaF₂透鏡。這一理論顯示可用波長被限制在吸收率比水低的範圍內，也就是說吸收率要低於1/cm。紫外光被包含在這一窗口中，但是沒有到目前爲止還沒
有做高強度的實驗。 

Microjet設備是可以組合的。激光源通過一根光纖和切割頭相連。爲了避免損害光纖，直徑50微米的水刀使用直徑100微米的纖芯。紫外激光的引入應該會帶來新的切割應用的領域，比如透明材料，同時也會出現更小的水刀直徑。

一個紅外多模激光器需要水刀有非常小的噴嘴。因爲聚焦擴展激光光束進入水刀的必要尺寸，這種需求很難達到。 

其他新的加工能力，比如切割或雕刻透明材料，諸如聚合物、玻璃、鑽石以及藍寶石是非常有前景的應用。比如，紫外激光可以爲半導體工業切割矽晶片，由一層玻璃或鑽石覆層，這種材料常被用來生産快速光電元件。在電子工業中也同樣具有前景，因爲PCB中玻璃和Kevlar光纖的存在，尤其是富有彈性的，很難使用標準微噴射切割方法來達成。 

 [ top ] [ back ]