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學(xué)術(shù)論文

[論文]皮秒激光與光纖激光切割藍(lán)寶石對(duì)比

Johnny Lee 來(lái)源:激光制造商情2016-01-19 我要評(píng)論(0 )   

皮秒激光,即指其激光發(fā)射脈沖寬度時(shí)間為皮秒數(shù)量級(jí),我們用來(lái)加工藍(lán)寶石的皮秒激光器脈沖寬度為6~10ps,脈沖重復(fù)頻率為400~600kHz,峰值功率達(dá)MW級(jí)。

東莞市盛雄激光設(shè)備有限公司供稿

 1.什么是皮秒
   皮秒激光,即指其激光發(fā)射脈沖寬度時(shí)間為皮秒數(shù)量級(jí),我們用來(lái)加工藍(lán)寶石的皮秒激光器脈沖寬度為6~10ps,脈沖重復(fù)頻率為400~600kHz,峰值功率達(dá)MW級(jí)。 
   亞皮秒也是一種時(shí)間量度單位,嚴(yán)格意義脈沖寬度應(yīng)介于500ps~1ns之間的激光才能稱之為亞皮秒激光。  
 
目前市場(chǎng)上切割藍(lán)寶石基片需要吹氮?dú)饫鋮s的激光器其脈沖寬度為0.2ms, 重復(fù)頻率為100 Hz, 峰值功率僅為KW級(jí),與皮秒激光相比,兩者的脈沖寬度相差高達(dá)10000000倍,峰值功率相差高達(dá)1000倍。 
 
溫馨提示:實(shí)際市場(chǎng)上有些激光公司所謂的亞皮秒激光,其跟皮秒激光根本不是同一概念,其實(shí)質(zhì)是混淆視聽(tīng),只是為了在推銷機(jī)器時(shí)提高價(jià)格而已。
 
2.切割原理對(duì)比
 
皮秒激光:氣化切割方式 
脈沖激光在高峰值功率激光束照射下,材料被高峰值功率瞬間加熱迅速升高至氣化溫度而無(wú)明顯融化,使得材料以氣體的形式從材料表面逸出。激光束經(jīng)過(guò)高速位移的掃描振鏡反射后經(jīng)平場(chǎng)鏡聚焦在藍(lán)寶石表面,多次重復(fù)轉(zhuǎn)圈運(yùn)動(dòng),逐漸蝕刻藍(lán)寶石,材料可完全切透分離,所以可以實(shí)現(xiàn)材料的自動(dòng)化上下料。
 
光纖激光: 熱熔切割方式
準(zhǔn)連續(xù)激光平均功率相對(duì)較低,被激光照射處的材料首先產(chǎn)生熱熔融化,在高純氮?dú)猓ɑ蚱渌栊詺怏w)氣體流的作用下,熔融的材料由切口底部排出。其中氮?dú)庾饔糜袃煞N:1.冷卻;2.加速排屑,提高切透力。
激光束經(jīng)過(guò)導(dǎo)光系統(tǒng)進(jìn)入切割頭,經(jīng)切割頭中透鏡聚焦于藍(lán)寶石表面,使該處材料迅速熔化,形成孔洞,隨平臺(tái)的移動(dòng),形成切口,借助向下掃的氮?dú)饬鲗⑷刍牟牧洗党?。切割時(shí)激光與氮?dú)獾淖饔卯a(chǎn)生瞬間即熱即冷,容易掛渣,使得材料不能徹底切割開(kāi)分離,故不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化上下料。

3.切割構(gòu)型對(duì)比

 



4. 峰值功率對(duì)比
以切割0.3mm厚度藍(lán)寶石為例
皮秒激光(100W) 
   脈沖寬度:10ps 
   使用功率:48W(雙頭加工,單頭功率24W)
   脈沖頻率:600kHz
   單脈沖能量= 使用功率÷脈沖頻率=24W ÷ 600kHz=40μ? 
   峰值功率=單脈沖能量÷脈沖寬度  =40μ?÷10ps=4×1000000W=4000000W 
 
光纖激光(150W)
   脈沖寬度:135us 
   使用功率:50W
   脈沖頻率:750Hz
   單脈沖能量= 使用功率÷脈沖頻率=50W ÷ 750Hz=66667μ?
   峰值功率=單脈沖能量÷脈沖寬度=66667μ? ÷135us=494W
 

5.切割效率對(duì)比

皮秒激光設(shè)備:全自動(dòng)化上下料


13000粒/23小時(shí)

(以厚度0.3mm、直徑為10mm圓為例)

光纖激光設(shè)備:人工手動(dòng)上下料


5000粒/23小時(shí) 
(以厚度0.3mm、直徑為10mm圓為例) 
 
皮秒激光切割排版
皮秒激光切割藍(lán)寶石排版示意圖

                 藍(lán)寶石                                藍(lán)寶石

皮秒激光切割藍(lán)寶石排版緊湊,無(wú)需切割引線,最大化利用藍(lán)寶石材料

6.切割錐度對(duì)比

以切割0.3mm厚度藍(lán)寶石片為例,規(guī)格12.3*12.3。

下圖分別為皮秒激光與光纖激光切割的藍(lán)寶石邊緣投影圖。皮秒激光切割藍(lán)寶石錐度<11°;光纖激光切割藍(lán)寶石錐度<7°。




7. 切割效果對(duì)比

藍(lán)寶石小粒:12.3*12.3






光纖激光切割的藍(lán)寶石邊緣發(fā)黃,皮秒激光切割的藍(lán)寶石邊緣不變色

正面直線邊緣對(duì)比

皮秒激光切割  

 

  結(jié)論:

1、皮秒激光切割的藍(lán)寶石直線邊緣整齊光滑

2、光纖激光切割的藍(lán)寶石邊緣呈鋸齒,且邊緣線條發(fā)黑

 

正面崩邊對(duì)比


結(jié)論:
1、放大1000倍觀測(cè),正面崩邊均小于10um。
2、皮秒激光切割的藍(lán)寶石邊緣局部偶爾有崩邊鋸齒,所以整體靜壓強(qiáng)度會(huì)很高。
3、光纖激光切割的藍(lán)寶石整個(gè)正面邊緣都是鋸齒和裂紋,所以力學(xué)強(qiáng)度會(huì)大幅下降。
 
背面邊緣效果對(duì)比
皮秒激光切割藍(lán)寶石背面邊緣(崩邊<30 um)

皮秒激光切割的藍(lán)寶石背面邊緣整齊,光纖激光切割所得的邊緣呈鋸齒線條。

光纖激光切割藍(lán)寶石背面邊緣(崩邊<30 um

不似皮秒激光采取快速多次填充式切割,光纖激光切割藍(lán)寶石采取“一刀切穿”模式,切割錐度小,不易區(qū)分切割正面與背面。

熱影響區(qū)域?qū)Ρ?/b>

皮秒激光切割                            光纖激光切割


8.靜壓強(qiáng)度對(duì)比

皮秒激光切割產(chǎn)品 (靜壓強(qiáng)度>10Kg)


光纖激光切割產(chǎn)品(靜壓強(qiáng)度<5Kg


落球測(cè)試:7g 、60cm (皮秒激光與光纖激光切割的藍(lán)寶石均通過(guò))  

9.小結(jié)


文章鏈接:http://m.onlinethisweek.com/ebook/201512/pdf/f1.pdf

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皮秒激光光纖激光藍(lán)寶石切割
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