文/Mike Poulter，Jack Gabzdyl

長期以來，納秒光纖激光器一直是一種可靠、經(jīng)濟高效的材料打標工具。然而，近年來，納秒級光纖激光器的新發(fā)展，已經(jīng)讓它們超越了典型的打標應用。在保持光纖激光器相對較低的價格以及免費維護的前提下，這些新光源以更高的脈沖能量、更高的峰值功率和更高的平均功率為特點，正在微機械加工應用，如薄片切割、連接和表面處理等領域開辟出更廣泛的應用空間。

SPI Lasers公司的新型納秒光纖激光器，能夠產(chǎn)生高達50kW的峰值功率和250W的平均功率。利用直接調(diào)制的種子激光技術和脈沖調(diào)諧（PulseTune）功能，這些激光器能提供3~2000ns的多功能脈沖持續(xù)時間控制，使輸出優(yōu)化，以便用于清洗、燒蝕和表面功能化。其中的關鍵是脈沖特有的時間形狀特性。這些脈沖的特征是：具有一個快速上升沿和一個指數(shù)衰減的下降沿。

與更接近高斯形狀的脈沖相比，PulseTune功能的輸出，在更早的時間內(nèi)超過燒蝕閾值，使總脈沖能量得到更大比例的利用，并最終實現(xiàn)更高的工藝效率、減少基板材料的殘余加熱。與傳統(tǒng)的Q開關激光器不同，PulseTune功能還可以在高脈沖重復頻率下保持峰值功率，以提高某些加工的速度。針對清洗應用，這些新型納秒光纖激光器還提供了一系列光束質(zhì)量選項，這為優(yōu)化能量和峰值功率密度提供了另一個維度，從而實現(xiàn)了對表面積的最佳覆蓋。

激光清洗與燒蝕

當清洗表面時，我們主要關心的是去除不需要層，同時還要最大限度地降低對基材的影響�，F(xiàn)有的工藝包括機械刷洗、噴砂以及化學或干冰處理。刷洗和噴砂都可能非常臟，噪音很大，材料消耗和機器磨損程度也很高。另一方面，化學處理可能涉及對環(huán)境有害的溶劑，導致消耗品和廢物處理的高成本。激光清洗為這些問題提供了一種解決方案，同時在向被清洗的表面輸送能量方面，也提供了更高水平的控制，使能量控制更加精確，可重復使用，產(chǎn)生的廢料更少。

激光清洗還具有驚人的可適用性，不管是清洗微觀表面還是清洗類似飛機和建筑物中的大型表面，激光清洗都能提供合適的解決方案。因此，商業(yè)激光清洗系統(tǒng)正在開發(fā)多種不同的結構。有些系統(tǒng)是半便攜式的，帶有手持處理頭，其中至少包含一個振鏡掃描軸，以使光束能掃描被清洗的表面（見圖1）。其他系統(tǒng)采用運動控制方案進行高精度加工，或使用機械臂進行多維表面清洗或遠程清洗，這一點對于核設施的處理特別有用。

圖1：手持式激光清洗頭。（圖片來源：4JET Technologies GmbH）

值得注意的是，光-物質(zhì)相互作用的機理，對于所有激光清洗應用并不都是一樣的。有效的清洗方案可以包括燒蝕、蒸發(fā)、熔化和通過產(chǎn)生蒸汽壓力噴射熔體的組合。

一般來說，清潔過程的效率取決于許多參數(shù)。在理想情況下，激光應該很好地被待清洗的層吸收，但要保證激光能量低于基底材料的相關工藝閾值。這種方式可以使該工藝具有自限制性，即使過度加工也不會對基底材料造成顯著的損壞。這可以通過優(yōu)化激光波長或調(diào)整光束參數(shù)來實現(xiàn)，這些參數(shù)包括脈沖能量、脈沖持續(xù)時間（峰值功率）和光束輪廓（能量和峰值功率密度）。激光清洗的關鍵性能指標通常包括表面質(zhì)量、邊緣質(zhì)量和清洗速度。

圖2：從金屬板上選擇性地去除粉末涂層。

最近，去除涂漆或陽極氧化表面已成為商業(yè)應用中頗為關注的話題，這類清洗就非常適合采用激光清洗方式。試驗表明，清洗質(zhì)量和清洗速度會因涂層和基材的厚度、化學成分、顏色和表面光潔度而發(fā)生顯著變化。這就強調(diào)了優(yōu)化激光輸出以滿足手頭工作的重要性。圖2中的鋁板，先施加了黃色涂層，然后是紅色涂層；圖中顯示了只去除紅色涂層和兩種涂層都去除的加工效果。激光器的輸出經(jīng)過優(yōu)化，每次有選擇性地移除一層，而不會損壞下面的一層。最后一步，用相同的激光對裸金屬進行白色標記，以提高圖像對比度。

去除金屬上的鐵銹和氧化層是另一種激光清洗應用，激光清洗方案由于其提供的速度和靈活性而越來越受歡迎。從金屬上除銹的過程與去除油漆層類似，但有一個關鍵區(qū)別：鐵銹和氧化物能夠對大塊材料進行化學腐蝕、點蝕和滲透，使其不僅存在于表面（見圖3）。為了完全去除基底材料上不同程度的銹跡，還需要用雕刻的方法去掉薄薄的一層基底材料。重要的是，有效去除表面銹跡所需要的激光參數(shù)，與最佳去除滲透性銹跡所需要的參數(shù)不同；事實上，它們恰恰相反。

圖3：金屬中的銹蝕或氧化物腐蝕的程度（a）以及鋼鏈除銹實例（b）。

激光清洗也正在取代傳統(tǒng)的焊接準備方法，即在金屬焊接前，有選擇地從金屬上去除保護性電偶層。圖4顯示了從低碳鋼中去除氧化鋅，以便于焊接和隨后的重新鍍鋅。在這種應用中，最長、能量更高的納秒脈沖，有利于氧化物的去除和獲得最佳邊緣質(zhì)量。在200W平均功率下，可實現(xiàn)大于100mm²/s的清洗速度。

圖4：去除低碳鋼上的氧化鋅，為后續(xù)焊做準備。

另外，激光清洗還可以用于后處理，以實現(xiàn)美觀性和相應的功能性。圖5顯示了不銹鋼焊縫和激光雕刻的車輛識別號（VIN）的清洗，以獲得更高質(zhì)量的表面美觀度和更清晰的辨識度。在后一個案例中，同一臺200W納秒光纖激光器用于雕刻標記，并通過重新優(yōu)化激光參數(shù)用于清洗。

圖 5：不銹鋼焊縫的激光清洗以及激光雕刻車輛識別號（VIN）的后處理清洗。

激光清洗的需求不僅來自傳統(tǒng)市場，還來自于新的終端用戶市場，例如快速增長的電動汽車產(chǎn)業(yè)。電動汽車行業(yè)的應用驅動了對激光清洗的需求，例如從電機發(fā)夾上剝離PEEK、PI和PAI涂層，從電池箔上去除特殊涂層，以及清潔汽車輪胎模具工具等。

在消費電子產(chǎn)品的生產(chǎn)中，新的納秒光纖激光器正在取代固態(tài)光源，有選擇地、精確地從玻璃上去除透明導電層薄膜。從圖6中的案例可以看出，銦錫氧化物（ITO）已經(jīng)被快速有效地去除，以便在顯示面板上進行切邊處理。使用200W納秒脈沖光纖激光器，能以接近20cm²/s的速率去除這類薄膜層。

圖6：在不損壞玻璃基板的情況下，從顯示面板上去除ITO的邊緣。

激光表面功能化

隨著應用范圍的不斷擴展，最新的納秒級光纖激光器已經(jīng)超越了清洗應用，延伸到了表面功能化應用；而這些應用在之前被認為是超快光源的專有領域。由于峰值功率和功率密度的提高，納秒級光纖激光器正推動著表面摩擦系數(shù)的增加和減小、流體力學中的阻力降低或機械破碎系統(tǒng)效率的提高。圖7顯示了一個激光表面拋光的例子，這是通過受控的Marangoni流實現(xiàn)的；這項應用對高精度工具、模具和醫(yī)療植入物領域具有重要意義。

圖 7：不銹鋼板的激光拋光（圖片來源：Heriot Watt University）

表面功能化的另一個令人興奮的應用領域是不銹鋼的激光毛化，用于蒸餾、石油化學、制冷和核能發(fā)電應用。在這一過程中，可以形成微結構，顯著增加核池傳熱系數(shù)，不僅能提高純流體的沸騰效率，而且還能提高二元混合物的沸騰效率（圖8）。

新的納秒激光毛化技術也可用于控制表面的潤濕性，以提供疏水性和親水性。這是用于水介質(zhì)或其他腐蝕性環(huán)境中的部件的重要特性，以防止腐蝕，延長使用壽命。圖9顯示了用納秒脈沖光纖激光器對不銹鋼進行功能化處理，產(chǎn)生的疏水表面接觸角超過145°。

圖8：用于提高流體沸騰效率的不銹鋼激光毛化。

圖9：用納秒脈沖光纖激光處理的不銹鋼的疏水性。

新的納秒光纖激光器提供了一個靈活、經(jīng)濟的參數(shù)范圍，使得用于清洗、燒蝕和表面功能化的下一代光源成為可能。這些激光器允許用戶選擇性地去除材料，并且在速度、可控性和一致性方面均保持滿意效果。全球范圍內(nèi)越來越多的行業(yè)都開始采用激光清洗技術，以提高生產(chǎn)率，降低成本。從電池、電動汽車到太陽能等各種市場，都是納秒脈沖激光器在清洗和表面功能化應用方面大顯身手的重要舞臺。