超快激光在工业领域的应用

刘猛军

上海首坤智能科技有限公司 上海 201906

引言

近年来，随着我国经济的发展，对工业也提出了更高的要求，把超快激光应用到工业领域，对提升工业生产的质量和效率有很大的关系，可以使得生产出来的产品的品质更加的优质，主要的原因就是超快激光输出的脉冲波光束的质量比较的稳定，可以在短时间内把能量集聚起来，而且还不收脉冲重复频率和平均功率影响，超快激光被广泛地应用到航空、制造业、科研等工业领域。

1 超快激光技术概述

超快激光主要包括飞秒激光（脉冲的宽度）和皮秒激光（脉冲的宽度），峰值功率的密度也很高，最大的功率可以达到108W，而且脉冲作用的时间也比较的短，超快激光的原理不是通过光热效应，而是电子态直接吸收，之后再把能量传到材料的晶格来破坏结合键，最后以等离子体的方式喷发出去。因为超快激光的独特的性质，所以被广泛地应用到工业领域中一些精密和微细中。

把超快激光这一技术应用到工业领域有着很多的优势，首先就是超快激光可适用于多种材料，主要的原因就是超快激光可以在短时间内产生较高的峰值功率，以便把所有的能量集中的释放到指定的区域，这样能量足以让各种材料发生电离其次就是在经过超快激光技术处理过的材料没有损伤，主要的原因就是因为超快激光作用的时间比较短，虽然散发出来的能量会议等离子体的形式被外界环境带走，使得热量没有办法在材料的内部进行扩散，进而有效地避免了因为热传导二引发的热熔融损伤和应力损伤，以此来实现真正意义上的冷加工；最后就是把超快激光应用到工业领域可以实现微米级加工精度，和之前的长脉冲激光不同，超快激光的烧蚀阈值是非常的精准的，通过对超快脉冲的能量进行适当的控制，可以突破光束衍射极限，对产品进行微米级加工精度。最后就是利用超快激光来对工业产品进行加工，可以有效解决工业领域在进行高质量制造瓶颈难题[1]。

飞秒激光虽然脉冲宽度比较的短，但是其峰值功率还是极高的在对产品进行加工的时候，由于飞秒激光中的单个激光脉冲时间小于1ps，在脉冲结束之后材料中的自由电子和晶格在短时间内没有办法达到能量守恒，使得冲击波不能在晶格之间转化成热量。进而使得一些聚焦到超细微空间区域的激光的能量在短时间内使得材料电离，导致材料的中的分子键遭到破坏，使材料从固体转化为气体或者等离子，在达到去除材料目的的同时，也不会对周围的材料造成不好的影响。从激光和材料作用的原理的角度来看，把飞秒激光加工应用在工业领域可实现高精度的材料加工，是提高工业水平的最佳方式之一。

和飞秒激光相比较，在使用皮秒激光进行加工的过程中存在着非平衡消融和热平衡消融过程，通过设置合理的参数，脉宽在10皮秒左右的激光可以得到和飞秒激光类似的高质量微孔，提升加工的效率，对于工业工程化推广和应用具有实际意义。

2 超快激光和金属作用的物理过程

超快激光对金属进行加工的过程实质上就是能量传递的过程，金属作为吸收激光释放出来的能量脉冲的主要载体，主要的吸收方式就是电子对光子的线型共振吸收、双光子对光子的线型共振吸收、高阶光子对光子的线型共振吸收这3种方式，通过把金属中的电子激发到高能态，之后在超快激光脉冲的高强度作用下，会使得金属中的自由电子出现光子电离和雪崩，在经过这两个阶段之后会使得自由电子获得较高的能量，并处在激发的状态中。在对金属进行加工的过程中，自由电子可在1飞秒内出现相位发生转变，此时，虽然会破坏极化但是却不会破坏自由电子的能量分布，之后经过一段时间之后，金属内的自由电子会达到平衡状态，而且此时的温度要比周围晶格的温度高得多，而且自由电子也会向四周辐射声子向晶格传递能量，在经过1ps后，电子和声子之间会发生耦合，电子在通过发射声子之后的温度也开始下降，金属内的能量也逐渐趋于平衡。当电子和声子之间达到平衡状态后，电子就会出现漂移，在晶格和晶格之间出现耦合，之后热量也会向周围扩散，当材料中的沉积能量达到熔点温度后，就会使得金属靶材转变为液相，最后就会把材料去除。在使用超快激光进行加工的过程中，通常都会使用脉宽比较短的激光，所以激光和物体的作用的时间是十分有限的，这样就会导致材料在还没有融化的时候就会因为内部的温度过高而直接转化为等离子态，最后从靶材上飞溅出去。在对产品进行加工过程中，不会产生热扩散的情况，所以加工的表面比较清洁，在加工完成之后也不会产生碎屑，所以超快激光还是比较适合金属材料的微细加工的[2]。

3 超快激光在工业领域的应用

在工业的微加工领域，已经开始大规模的应用超快激光器（皮秒、分秒等），当前超快激光主要应用的领域有脆性的玻璃和陶瓷以及一些复合性的薄膜材料，如3C行业中的LCD屏异形切割、对摄像头中蓝宝石盖板的切割、对摄像头中的玻璃盖板进行切割、对玻璃和陶瓷基板的切割等。此外，超快激光还被广泛地应用到工业中一些微细加工、航空航天、增材制造等领域。主要的原因就是因为在工业中应用超快激光可以最大限度地减少激光在对材料进行施工的过程中对周围的影响区域，而且不管是高导热金属材料，还是低热阻聚合物，或者是脆性透明材料，都可以用超快激光进行精确地烧蚀，进而使得材料可以实现超高清洁性精度加工。基于超快激光这种优良的微加工特性，超快激光在工业的表面加工领域工主要被用于表面钻孔、画线、切割、焊接及表面微构型等。

3.1 高强度材料微细加工

在对一些高强度的材料进行加工的过程中，一般的机械是不能很好地完成的，主要的原因就是因为机械刀的轻度达不到加工的要求，在对材料进行加工的过程中，如果采用蚀刻的方法，虽然可以对材料进行加工，但是加工速度过低，很难满足市场的需求。而通过使用超快激光来对一些高强度的材料进行微细的加工，就可以很好地满足加工需要，而且还能有效地提升加工的效率。当前在我国的工业领域已经开始广泛的使用紫外激光等技术来对金属材料的微电子和航空发动机等领域来进行加工了，和之前的那种加工方式相比超快激光更具明显的优势，不仅可以更好地满足对精度和效果的要求，而且在加工的过程中还能有效的控制加工的区域进行。比如，在使用脉冲激光对材料进行加工的时候，对材料产生的热损伤在一段时间之后就会消失，而且还能有效地降低对热区域的影响。

3.2 对在航空发动机中的涡轮叶片气膜孔加工

涡轮叶片作为航空发动机最为核心部件，涡轮叶片的设计制造水平和工作性能对航空发动机的使用寿命有着很大的关系。当前，国外，最为先进的涡轮前燃气温度范围已达1811～2144，除了研发先进气冷结构外，还可以在高温合金热端部件表面喷涂热障涂层，热障涂层一般情况下是由金属黏结底层和外部的陶瓷面组成。在对涡轮叶片进行加工的时候可以采用热障涂层技术和先进冷却技术，这样可以使得涡轮叶片在具备金属的高韧性和高塑性的同时还能具备陶瓷的耐高温和耐腐蚀的特点。

涡轮叶片气膜冷却主要是在航空发动机热端部件的表面轮廓上设计大量孔，小孔的直径在0.1～0.8mm，孔的深度在3mm以上，把部件内部释放的冷空气，通过微小孔内对流在部件表面形成薄层冷气膜，进而实现隔离高温燃气流，以此来达到保护部件的目的。叶片气膜孔的孔径比较小而且数量多，在对其进行加工的时候一定要保证质量，当前主要采用电火花和长脉冲激光以及电液束流等方式来对孔进行加工，但是由于热障涂层不导电，所以电加工工艺没有办法进行加工。以前的那种长脉冲激光在对涡轮叶片进行加工的时候很容易会引起涂层表面脱落和裂纹的出现，而且电液束流加工的效率比较的低，在工作的过程中很难的控制孔的形状，还有就是电解液有一定的腐蚀性，不易加工异型孔，虽然电液束流-电化学和激光-电火花等一些复合加工方式可以进行二次加工，但是却不能很好地保证孔的一致性。所以，对带热障涂层的单晶涡轮叶片异形孔进行加工就成为行业中的一个难题。

最后，利用超快激光（皮秒、飞秒等）技术来完成带热障涂层单晶涡轮叶片气膜孔高质量一次性制孔工艺，进而实现涂层不会出现掉块和裂纹，而且气膜孔的几何尺寸和位置度也符合技术要求，以此来为带热障涂层单晶涡轮叶片气膜孔的加工制造提供更加新颖的手段[3]。

3.3 孔加工

要知道激光的特性就是沿直线进行传播，所以激光制孔也是激光最早被工业领域的一个加工技术，也是当前激光加工工作的主要领域。因为随着工业技术的进步和科学技术的发展，使得以前的那种加工方式以及不能很好地满足当前工艺的要求了，而要想制造出微米级的深孔，来满足制造拉丝模具的需求，使用一般的机械加工方法几乎是不可能完成的。但是，通过使用超快激光来进行打孔，可以很好地满足制造拉丝模具的需求，因为激光光束在短时间内可以把能量集聚到某一点上，之后再把光斑缩小到微米级，使得激光可以获得较高的激光能量密度。而且使用这一技术不管是对什么样的材料进行打孔，在打孔的过程中都不会对工具造成损耗，而且制孔的速度也比较的快，所获得的经济效益较高。当前，激光制孔技术也越来越成熟，已经可以在不同材料上进行工作了，而且还能够获得高强度、高密度的群孔。特别是在航空发动机叶片和燃烧室气膜孔的制造中，在对其进行加工的过程中不会出现裂纹，而且也不需要在激光加工后再铸层，极大地提升了航空中零件的精确度。

3.4 光聚合物内部三维成型

由于光聚合材料有着光敏的特性，所以通过使用超快激光技术来进行加工，可以在光聚合材料的内部完成高分辨率的三维加工。这一方法主要就是通过运用双光子聚合原理，来对激光进行聚焦，进而实现双光子吸收效应，使得所作用的材料的内部出现固化的现象，最后在材料的表面制备出三维微结构。通常情况下，光聚合物材料都是放在可见光波段下，而且光聚合物材料也都是处于透明状态，通过运用超快激光技术进行加工处理，可以让材料的表面结构保持光滑的前提下，在其内部创造出复杂的三维结构。当前，超快激光这一术已经被广泛地应用到了光子晶体和微光学元件中，而且由于获得元件的化学性质比较的特殊，可以制造出精度的光学器件，在实现了光学水平的提升的同时，还能促进了工业的发展。

3.5 微结构加工

在工业生产过程中通过使用超快激光技术，可以对一些微结构进行进一步的加工，在满足产品性能和质量的同时，还能提升工业的制造水平，使得工业可以朝着精度更高的方向发展。当前，通过运用超快激光可以更好地在钛薄膜上进行制造微孔结构，通过使用激光微细加工来对镍合金进行加工，在一定程度上可以实现微悬臂梁的加工工作，在对悬臂梁的加工参数进行科学的优化之后，可以更好地满足质量和密度的要求；通过使用超快激光技术可以钻通互连器件，进而得到更多的多层微细结构和光学组件等比较精细的结构[4]。

4 结束语

综上所述，把超快激光这一技术应用到工业领域中，对提升工业的水平和效率有着较大的作用，可以更好地满足对一些零件进行高精度加工的要求，使得工业中的制造业水平可以得到大幅度的提升，进而更好地满足当前社会对各种工业产品的需求。所以，为了更好地推动工业的发展，使得制造出来的产品的精度和质量更高，工业部门就要提升对超快激光技术的应用效率，以此来推动我国工业的发展。