激光技术的发展趋势：短脉冲激光能做什么

短脉冲激光器具有独特的功能。工业界将其用于多种应用。一方面，该系列包括脉冲持续时间在纳秒范围内的短脉冲激光器，即纳秒激光器。另一方面，它还包括脉冲持续时间在皮秒和飞秒范围内的超短脉冲激光器，称为皮秒和飞秒激光器。

 

由于激光束对材料的照射时间很短，热影响区非常小，因此也被称为冷烧蚀。在这一过程中，材料不是熔化而是汽化。短脉冲激光的非线性吸收使得它几乎可以加工任何材料，如钢、铜、黄铜、陶瓷、塑料、玻璃等金属和非金属材料。

 

 

只需一步，完成部件清洁和结构处理
用户使用短脉冲激光器清洁部件。他们可以对金属进行去涂层处理，即去除二次材料。利用相应的高能量输入，还可以对元件本身进行加工，例如使其结构化。位于德国迪琴根的通快公司产品经理Steffen Rübling说：这些应用都可以用同一种短脉冲激光器来实现。为此，用户只需设置功率水平、脉冲重复率和进给量。如有需要，短脉冲激光器可以在一个步骤内完成清洗和成型等工作。

 

在任何材料上进行变色打标
超短脉冲激光可在其他激光技术难以实现的材料上打标。例如，可以在通常需要使用激光添加剂的塑料上打标。超短脉冲激光器无需添加添加剂，节省了成本和时间。此外，超短脉冲激光还能使标记具有良好的对比度和较高的耐腐蚀性。例如在医疗行业，不锈钢手术器械就使用这种激光打上高对比度、耐腐蚀的黑色标记。

 

用超短脉冲激光对动脉夹进行标记

 

“虽然手术器械要经过多次消毒，但使用飞秒和皮秒激光打标后也不会出现腐蚀。原始对比度保持完好。保证了整个产品生命周期的可追溯性。”德国威斯巴登SK Laser GmbH总经理 Dina Reit谈到。

 

对难以机械加工的材料进行烧蚀加工
难以机械加工的材料，如硬质合金基板上的金刚石涂层，可以用超短脉冲激光器进行加工，而且精度高、烧蚀率高。“我们与合作伙伴IPG在精确加工玻璃方面积累了丰富的经验。虽然这种材料在1µm左右的激光波长下对激光束几乎是透明的，但超短脉冲激光可以利用非线性效应雕刻玻璃，在表面引入衍射结构，并在不损坏玻璃的情况下烧蚀玻璃表面的选择性层。”Reit解释说。

 

飞秒和皮秒激光器非常适合在要求苛刻的应用中进行精细加工，并扩大了激光加工的范围。

 

可快速精确去除部件上的油漆
电动汽车是短脉冲激光的众多应用领域之一。例如，焊接电动马达的铜销（称为“发卡”）尤其具有挑战性。电机制造商在焊接精细的发卡之前，必须先去除塑料漆涂层。

 

短脉冲激光器用于剥离铜部件上的油漆，这是激光器在动力电池领域的一项应用
 

在激光脱漆过程中，激光脉冲撞击工件表面。在此过程中，它们会使涂层气化。“由于铜是一种特别敏感的材料，因此只有在短脉冲激光器的精确能量输入下才会起作用，”通快公司的Steffen Rübling解释说，“对于脱漆，用户必须选择足够高的能量输入，这样激光才能去除油漆，但能量不足以攻击基体材料，在这种情况下就是铜。”

 

激光清洗工件对环境无害
激光清洗部件的原理相同。典型的应用是粘接接头的准备工作。例如，汽车制造商在将部件焊接或粘接在一起之前，需要对部件表面进行无残留清洗。他们需要在不损坏底层部件的情况下去除油等脱模剂。

 

“如果使用湿化学品或研磨剂清洁表面，则需要耗时地遮盖部件，”Rübling说，“这不仅增加了成本，还使清洁工作变得更加耗时。短脉冲激光只在必要的地方清洁部件。汽车制造商可以省去后处理工序。此外，激光清洗的效果始终如一，而且最重要的是，它非常环保。与传统工艺相比，用户可以节约用水和化学清洗剂。”

 

适用于多种材料、多种应用场景

短脉冲激光也可用于激光成型。与喷砂、化学蚀刻或铣削相比，激光成型是一种清洁、快速和非接触式的替代方法。短脉冲激光器可以对各种金属进行加工。为此，用户只需根据金属的不同情况调整激光器的参数，如激光功率和加工速度。

 

激光是太阳能电池制造的重要工具
激光在光伏系统制造中发挥着重要作用。在制造这些丝状电池时，短脉冲激光是绕不开的，通快公司负责光伏部门的Mauritz Möller说。基本上，光伏产业将太阳能电池分为厚膜太阳能电池和薄膜太阳能电池。这两种太阳能电池都根据光伏原理工作，将太阳辐射转化为电能。

 

不过，它们使用不同的半导体材料发电。厚膜太阳能电池：晶体硅。薄膜太阳能电池：非晶硅或铜化合物等其他半导体材料。薄膜太阳能电池比厚膜太阳能电池薄约100倍，重量也轻得多。使用薄膜太阳能电池组件时，单个电池组件周围没有金属框架，根据基板材料（玻璃或塑料薄膜）的不同，制造商可以弯曲电池。因此，这些柔性太阳能电池组件可以与建筑物融为一体。由于灵活性和低重量，薄膜电池还可用于移动应用，如野营或偏远地区的发电。

 

制造商将电池喷涂或蒸镀到基板上。薄膜太阳能电池的厚度仅为1-5μm。短脉冲激光器是保护薄膜太阳能模块不受外界影响的重要工具。为了防止灰尘或湿气造成短路，制造商必须先去除太阳能电池边缘约一厘米宽的蒸镀层，然后再在太阳能电池上贴上一层保护膜。过去，制造商使用喷砂法来完成这项工作。现在，短脉冲激光器取代了这种技术。

 

短脉冲激光器具有独特的功能。顾名思义，短脉冲激光器使用的是高脉冲能量的短激光脉冲。在去耦过程中，激光脉冲穿过玻璃表面，击中背面涂层并将其“炸”掉，而不会损坏玻璃。因此，太阳能电池的使用寿命更长，而且不会像喷砂那样产生有毒废物。由于镀膜薄如纸张，因此只有在短脉冲激光精确输入能量的情况下才能使用。对于去涂层，用户必须选择足够高的能量输入，这样激光才能去除气化的涂层，而不会攻击和损坏基底材料。能量输入因材料组合而异。

 

可折叠显示屏

 

在组装手机或平板电脑前，必须将每个显示屏从电池中切割出来。此外，许多设计需要在显示屏上的某个位置开孔，以安装摄像头和其他传感器。德国戈廷根Coherent高意显示屏战略营销总监Oliver Haupt博士说：有时只需去除特定区域的部分显示屏层，例如用来安装指纹传感器。这些过程被称为形状和孔切割。它们必须以高机械精度进行，即公差小、质量高和重复性高。这是避免装配过程中出现问题的必要条件。此外，生产量也必须非常高，因为此时大部分成本已经包含在显示器中。

 

在这些切割过程中，出于避免损坏电路等原因，必须尽可能降低热影响区。在可折叠手机中，热影响区中形成的气泡和微裂纹，可能成为最终形成或扩展宏观裂纹的源头。因此，典型手机形状切割的最大热影响区规格应低于100µm。对于可折叠显示屏，则应低于50µm。而在切割孔时，最大允许热影响区小于20µm的情况并不少见。

 

飞秒激光可切割几乎任何材料，边缘质量极佳，且无热影响区

 

纳秒脉冲激光器无法实现这种边缘质量。因此，显示器制造商使用短脉冲激光器来实现所需的小热影响区。

 

 

不同行业的实际应用

近来，医疗器械中飞秒激光加工的需求不断增加，主要原因是医疗器械的特点是部件更小、壁更薄、切割细节更多（如外周支架、下管、微创工具等）。对切割管几何形状的机器的需求尤其如此。此外，使用更复杂、更昂贵的材料也是另一个驱动因素。

 

美国圣克拉拉Coherent高意精密制造战略营销总监Geoff Shannon博士解释说：切割镍钛诺管材就是飞秒激光产生影响的一个例子。使用光纤激光器加工时会留下材料残留物，必须在切割后清除。由于切割几何形状的材料和特征尺寸较小，这种后处理具有挑战性。使用飞秒激光切割可产生光滑边缘，不会产生重铸珠，从而无需进行清洁/去毛刺。

 

在医疗应用中切割金属时，由于光纤激光器的可用功率更高，因此切割速度更快，切割的工件也更厚。因此，选择飞秒激光器还是光纤激光器，在很大程度上取决于具体的应用细节。对于如今的医疗设备用户来说，最大的问题之一就是选择飞秒激光还是光纤激光：更快的速度还是更高的边缘质量？

 

因此，用于切割医疗器械的最新激光设备可配备飞秒激光器或光纤激光器，或同时配备两种激光器的混合型设备。后一种选择允许用户在两种激光器之间无缝切换，即使在单项工作中，使用光纤激光器进行切割可能比使用飞秒激光器更经济，反之亦然。

 

基于Oled的柔性/可折叠显示屏
用于移动设备的众多显示屏，通常是在大型玻璃母板上同时制造的。在制作完所有电路并添加其他各层后，大型基板会被切割成最多包含十个显示屏的单元。这样做是因为只包含几个显示屏的单元，比原来的大基板更容易处理和运输。组装移动设备的最后步骤通常是在一个单独的生产设施中完成的，通常是在另一个国家。

 

瑞士手表
飞秒激光的一个有趣应用是生产高端瑞士手表的小零件。与通常以管状坯料为起点的医疗器械不同，这些部件大多是使用专门为此优化的机器从平面基底上切割下来的。

 

总部位于瑞士Bonfol的TechnoCut公司是飞秒激光技术的早期采用者。该公司成立于2005 年，目标是利用激光技术为瑞士的标志性产业承包制造小部件，主要涉及激光切割和雕刻。Julien Montavon是该公司的技术总监和联合创始人。

 

飞秒激光器可为瑞士高端钟表品牌精密切割各种金属和非金属机械零件和装饰零件

 

他解释说：我们之所以选择飞秒激光，是因为它用途广泛；制表业使用的材料非常广泛。内部零件由黄铜、铜合金和钢制成。然而，在表盘和指针方面，可以使用各种类型的金属和奇特的非金属来增强美感、品牌价值和独特性。例如陶瓷、碳纤维、珍珠母，当然还有各种贵金属。Montavon指出，所有这些材料都可以用飞秒激光轻松切割，通常无需滚压抛光等后处理步骤。

 

这个珍珠母表盘是用飞秒激光切割而成的

 

利用激光消除微塑料
到目前为止，污水处理厂还很难充分过滤掉废水中的微小塑料。现在，Klass-Filter GmbH公司在瓦勒肖森的一家污水处理厂成功测试了首个激光钻孔微塑料过滤器。该过滤器含有直径只有10微米的小孔板。

 

首个用于过滤城市污水中微塑料的激光钻孔过滤器的滤板上有5900万个孔

 

这项高效钻孔技术由弗劳恩霍夫激光技术研究所开发。这项工作是在由BMBF资助的 SimConDrill 项目中进行的，该项目由Klass-Filter GmbH公司牵头，弗劳恩霍夫激光技术研究所、Fürstenfeldbruck的LaserJob GmbH公司、Herzogenrath的Lunovo GmbH公司和Estenfeld 的OptiY GmbH公司参与其中。