超短脈沖 (USP) 激光器，尤其是飛秒激光器，能夠干凈利落地?zé)�蝕材料，同時(shí)最大程度減少熱效應(yīng)和碎屑形成，因而成為眼科手術(shù)、醫(yī)療設(shè)備和植入物、先進(jìn)微電子和平板顯示器等領(lǐng)域中眾多精密應(yīng)用的理想光源。為了在提高產(chǎn)量的同時(shí)保持出色質(zhì)量，無論何種應(yīng)用，都迫切需要更高的功率、更短的波長和更先進(jìn)的技術(shù)。為應(yīng)對這一需求，MKS Spectra-Physics® 推出 IceFyre®FS UV50 激光器，可在 1.25 MHz 的重復(fù)頻率下提供 50 W 紫外線 (UV) 波長的飛秒脈沖輸出。

在較高的功率水平和脈沖頻率下，要想在保持飛秒脈沖特有的低熱影響區(qū) (HAZ) 的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量可能相當(dāng)困難。要做到這一點(diǎn)，對于給定軌跡，光束掃描速度應(yīng)盡可能快，同時(shí)工件上的激光脈沖間距應(yīng)均勻，以確保加工均勻度。掃描振鏡很常用，因?yàn)樗鼈兊募铀俣葮O高，能夠在較長較直的線段上達(dá)到每秒幾十米的速度。然而，隨著幾何形狀彎曲和/或改變方向，掃描速度可能會大大減慢。

為了在保持加工質(zhì)量的同時(shí)最大限度提高產(chǎn)量，激光源輸出脈沖的頻率必須可控并且與軌跡速度成比例變化，同時(shí)脈沖能量和光束參數(shù)保持不變。有一種能力可以發(fā)出能在任意時(shí)間點(diǎn)上觸發(fā)的穩(wěn)定一致脈沖，一般稱為按需脈沖 (POD)。這種能力對于控制激光器的脈沖頻率以保持這些脈沖在移動(dòng)工件（或來自移動(dòng)光束）上處于理想位置等工作是必要的，這類技術(shù)通常稱為位置同步輸出 (PSO)。PSO 既需要一套運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)以與軌跡速度成比例的頻率產(chǎn)生電觸發(fā)脈沖，又需要一個(gè)能夠接受這種信號的激光源，以“按需”的方式提供穩(wěn)定的光脈沖。圖 1 以由低速圓角和高速直線段組成的軌跡為例，說明了 PSO 的原理。

圖 1. PSO 控制可使恒定能量激光脈沖在材料上沿整條變速軌跡（例如圓角矩形）保持恒定間距。

結(jié)合多軸線性位移臺運(yùn)動(dòng)和高速振鏡，PSO 展現(xiàn)優(yōu)異的性能，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量。配用線性位移臺后，PSO 的優(yōu)勢是整條軌跡的速度不必受限于圓角的速度。而對于振鏡加工，優(yōu)勢是觸發(fā)激光脈沖不需要將反射鏡加速到最大速度。

在運(yùn)動(dòng)控制方面，PSO 的性能優(yōu)勢在線性位移臺系統(tǒng)中相對成熟，擴(kuò)展到振鏡掃描儀是最近的事。然而，與PSO 兼容的先進(jìn)激光技術(shù)卻不那么完善，特別是在較短波長下工作的飛秒激光器。傳統(tǒng)超快激光器的 MOPA（振蕩器加功率放大器）結(jié)構(gòu)對實(shí)現(xiàn) PSO 操作需要的脈沖輸出同步提出了挑戰(zhàn)。這是由于系統(tǒng)的脈沖選擇性質(zhì)，即由自由運(yùn)行的振蕩器定義一個(gè)基礎(chǔ)頻率，從中選擇并放大脈沖。受到這種固定頻率振蕩器的影響，不可避免地會產(chǎn)生時(shí)間抖動(dòng)，即請求（“觸發(fā)”）脈沖和發(fā)射脈沖之間時(shí)間延遲的變化，這會導(dǎo)致脈沖在工件上出現(xiàn)空間定位誤差（“空間抖動(dòng)”）。即使采用先進(jìn)的技術(shù)，例如將所選脈沖從默認(rèn)位置轉(zhuǎn)移到鄰近脈沖以便最好地匹配到軌跡上所需的位置，結(jié)果仍然可能不盡人意。就其本質(zhì)而言，傳統(tǒng)的 USP 激光器結(jié)構(gòu)可以在位置精度受限的前提下保持脈沖能量穩(wěn)定，或者在降低脈沖能量穩(wěn)定性的前提下改善脈沖位置，但兩者不能兼得。不過，激光技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)在很大程度上克服了這個(gè)問題。現(xiàn)在，某些激光器設(shè)計(jì)架構(gòu)能夠在任意頻率下進(jìn)行脈沖生成、放大和諧波（波長）轉(zhuǎn)換，同時(shí)保持良好的脈沖能量穩(wěn)定性和光束質(zhì)量。這樣就能實(shí)現(xiàn) POD 能力。

IceFyre FS UV50 激光器就具備 POD 能力，可“按需”提供能量和光束參數(shù)不變的脈沖。為了證明 PSO 能力的優(yōu)勢，MKS 的應(yīng)用工程師進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，使用激光器與針對 PSO 操作配置的高速雙軸振鏡掃描系統(tǒng)配合。

圖 2 所示為掃描速度為 1 m/s、5 m/s、10 m/s 和 15 m/s 時(shí)，使用 (a) 常規(guī)自由運(yùn)行方法、(b) Skywriting 技術(shù)和(c) PSO 方法處理的一系列 1×1 mm 方塊一角的顯微鏡圖像。

 圖 2. 采用了 (a) 自由運(yùn)行、(b) Skywriting 和 (c) PSO 技術(shù)，使用超快紫外激光器加工的 1×1 mm 方形一角的顯微鏡圖像。

在常規(guī)方法和 Skywriting 方法中，針對每個(gè)速度對激光PRF（脈沖重復(fù)頻率）進(jìn)行調(diào)整，以保持 25 µm 的恒定脈沖間距。在 PSO 方法中，則通過對控制軟件進(jìn)行編程來保持脈沖間距為 25 µm 且整個(gè)軌跡上的脈沖能量始終一致，不受實(shí)際速度影響。

結(jié)果總結(jié)如下：

圖 2(a)：顯示使用自由運(yùn)行方法時(shí)，掃描儀反射鏡加速和減速的邊角處光斑間距更密。因此，使用這種技術(shù)加工會導(dǎo)致光斑間距不均勻，從而產(chǎn)生熱效應(yīng)，降低加工質(zhì)量。對于許多應(yīng)用而言，這種邊角質(zhì)量完全不能接受，而且這個(gè)過程必須以大約 1 m/s 的低掃描速度執(zhí)行，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于激光器和掃描儀的能力。

圖 2(b)：所示為使用 Skywriting 技術(shù)產(chǎn)生的結(jié)果，從質(zhì)量的角度來看可以接受。然而，在 skywritting技術(shù)中，會在軌跡路徑里增加引入和引出線段，在這些線段里激光會關(guān)閉，直到振鏡達(dá)到對應(yīng)的目標(biāo)速度。因此，盡管能夠?qū)崿F(xiàn)光斑間距的均勻度和總體質(zhì)量目標(biāo)，但需要更長時(shí)間來完成軌跡，從而導(dǎo)致產(chǎn)量降低。

圖 2(c)：最后，通過實(shí)施 PSO，在所有速度下均可保持光斑間距和脈沖能量不變，從而獲得出色的質(zhì)量和高產(chǎn)量。

高質(zhì)量金屬雕刻是 USP 激光器為人所熟知的一項(xiàng)應(yīng)用。然而，如果希望使用現(xiàn)有的高功率激光源實(shí)現(xiàn)優(yōu)異質(zhì)量和產(chǎn)量，就需要 PSO 的性能優(yōu)勢。為證明這一點(diǎn)，使用上述三種加工技術(shù)（自由運(yùn)行、Skywriting 和 PSO），在不銹鋼上雕刻 1×1 mm2 方形，掃描器運(yùn)行速度為 7.5 m/s。將參數(shù)調(diào)整為使光斑間重疊和交叉線重疊均為 50%。使用 3D 共聚焦顯微鏡對激光銑削的特征進(jìn)行分析，結(jié)果如圖 3 所示。

圖 3. 使用自由運(yùn)行（上）、Skywriting（中）和 PSO（下）技術(shù)進(jìn)行不銹鋼雕刻的 3D 共聚焦圖像和分析。

使用傳統(tǒng)自由運(yùn)行技術(shù)時(shí)，由于掃描儀運(yùn)動(dòng)中重復(fù)加速和減速階段的重疊率高，圖案邊緣雕刻過度。使用 Skywriting 和速度觸發(fā)技術(shù)得到的結(jié)果質(zhì)量接近。不過，使用 PSO 的加工速度明顯快于 Skywriting(>40%)，展示出這項(xiàng)技術(shù)的明顯優(yōu)勢。

更高的激光功率自然會帶來更高的加工產(chǎn)量，但配套設(shè)備必須滿足任務(wù)要求。高速振鏡掃描儀和精密運(yùn)動(dòng)位移臺提供的能力可以在激光脈沖與加工工件的軌跡之間實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)空同步。IceFyre FS UV50 激光器的紫外波長和飛秒脈沖寬度與先進(jìn)的 PSO 脈沖控制技術(shù)結(jié)合時(shí)同樣能實(shí)現(xiàn)出色加工質(zhì)量，同時(shí)還可以最大程度提高產(chǎn)量。

產(chǎn)品：IceFyre FS UV50 激光器

IceFyre® FS UV50 激光器是市面上表現(xiàn)優(yōu)異的紫外飛秒激光器，在1 MHz 時(shí)提供 >50 W 的紫外輸出功率，脈沖寬度 <500 fs。它是經(jīng)過行業(yè)驗(yàn)證的 IceFyre 平臺的最新產(chǎn)品，具有令人驚嘆的通用性和性能，以極低的購置成本滿足各種高精度飛秒微加工應(yīng)用的需求。用戶可配置的 TimeShift 脈沖串模式功能可實(shí)現(xiàn)燒蝕效率更高的微加工，從而提高特定材料的產(chǎn)量和質(zhì)量。高達(dá) 50 μJ 的脈沖能量和單脈沖到 3 MHz 的重復(fù)頻率使 IceFyre FS UV50 成為燒蝕和切割應(yīng)用的理想光源。該激光器的設(shè)計(jì)可為高掃描速度的優(yōu)質(zhì)加工實(shí)現(xiàn)同類激光器中時(shí)間抖動(dòng)極其低的按需脈沖 (POD) 和位置同步輸出 (PSO) 觸發(fā)功能�？蛻舻靡嬗诠�業(yè)上可獲得的短脈沖寬度和優(yōu)異的光束質(zhì)量，能夠以高產(chǎn)量在幾乎不產(chǎn)生熱影響區(qū) (HAZ) 的情況下以高精度和質(zhì)量加工高難度部件。IceFyre FS激光器為工業(yè)用途而設(shè)計(jì)，以優(yōu)異的性價(jià)比實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的全天候運(yùn)行。IceFyre FS 基于 Spectra-Physics 的 It’s in the Box 設(shè)計(jì)，將激光器和控制器集成到極其小的封裝中。

文章來源：MKS光電解決方案  

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