衍射光學(xué)元件在激光加工與材料處理方向上的應(yīng)用

平頂光束整形器在激光加工與材料處理方向上的應(yīng)用

激光加工與材料處理無疑是激光器大的應(yīng)用領(lǐng)域之一。近年來在傳統(tǒng)的切割、焊接、打標(biāo)的基礎(chǔ)上，越來越多的新激光加工處理工藝被開發(fā)出來并迅速在業(yè)界推廣。不同種類的工藝使用各種波長、強(qiáng)度、脈沖寬度的激光，也對(duì)光斑形貌、分布、景深等提出豐富的要求。
DOE 在針對(duì)特定激光加工處理應(yīng)用的光斑優(yōu)化中扮演核心角色。通常采用DOE可以從兩方面優(yōu)化激光加工處理的效果：倍增處理速率和產(chǎn)率；提升處理精度，如邊緣整齊度、熱影響區(qū)域、處理效率等。

熔蝕與構(gòu)造
激光熔蝕是指通過激光輻照從材料（通常是固體）表面去除材料。熔蝕通常采用小區(qū)域高能量脈沖實(shí)現(xiàn)。激光溶蝕具有多種用途，如納米材料制備，金屬或介電薄膜沉積，超導(dǎo)結(jié)構(gòu)制備，金屬部件常規(guī)焊接與邦定，MEMS結(jié)構(gòu)加工等。
采用平頂發(fā)生器或渦旋位相板可以產(chǎn)生邊界銳利的光斑構(gòu)型，在溶蝕過程中確保精確的材料移除范圍。多焦點(diǎn)分束器可以實(shí)現(xiàn)并行處理，提升產(chǎn)率。

圖3.1 激光溶蝕（上）與表面構(gòu)型（下）

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焊接
采用激光可將多個(gè)金屬或塑料機(jī)件連接在一起。激光光束提供一個(gè)集中的熱源，實(shí)現(xiàn)高速率、大深度、窄縫寬焊接。激光焊接通常在大規(guī)模制造中自動(dòng)化進(jìn)行。與切割技術(shù)協(xié)同，激光焊接可用于多種焊接類型（點(diǎn)焊，直/曲線焊，釬焊等）。
能量分布均勻的激光有助于焊接溫度的均勻分布，生成高質(zhì)量焊縫。采用分束器產(chǎn)生的多焦點(diǎn)焊接，可提升加工速率。

圖3.2 激光焊接（左）與平頂光斑（右）

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釬焊
在釬焊過程中，激光燒熔焊條并將兩塊金屬焊接在一起，這種工藝廣泛使用在汽車工業(yè)中。如果被焊接金屬在焊條熔融之前被清潔、預(yù)熱，將能提升焊接效果。
專門為這種工藝訂制的勻化器，可以在主焊的平頂光斑前端兩側(cè)產(chǎn)生兩個(gè)小光斑用于待焊金屬的清洗和加熱，提升釬焊的強(qiáng)度和焊縫的整潔度。

圖3.3 激光釬焊（左）與訂制光斑（右）

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激光微孔
激光微孔加工是指利用激光在薄料上打小孔，通常用于薄片或薄膜，如香煙卷紙、食品包裝紙（延長保質(zhì)期和新鮮度）。這類應(yīng)用需要精密的、等間距的微孔，分束型DOE是理想的產(chǎn)品。

圖3.4 食品包裝紙微孔（左）與多點(diǎn)光斑

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金屬及玻璃切割
激光切割通過將高功率激光引導(dǎo)并聚焦到工件表面，通過運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)掃描并按路線切割工件。激光切割為工業(yè)制造的重要手段；常常需要在不使用長焦透鏡的情況下延長焦點(diǎn)的焦深，以減少切割區(qū)域的崩邊、熔邊，提升切割質(zhì)量。
金屬切割利用激光聚焦產(chǎn)生的局部熱量加熱材料，達(dá)到熔點(diǎn)以切斷樣品。融化的金屬被氣流帶走。
玻璃切割通常使用紅外波段的高功率激光器。因?yàn)椴Ａ蛰^低，因此需要更高功率的激光；使用DOE可拉長焦深，使得能量在玻璃的內(nèi)部沉積，實(shí)現(xiàn)單次切割，而不需要調(diào)整焦點(diǎn)位置后再次掃描。這種方式對(duì)于隱裂切割特別有用，局部受熱使得切縫變脆而不是熔融，后續(xù)可用機(jī)械方式沿切縫分離。

圖3.5 金屬切割與環(huán)形光斑（上），玻璃切割與貝塞爾焦斑（下）

?相關(guān)DOE產(chǎn)品：金屬切割：渦旋位相板、平頂發(fā)生器；
玻璃切割：DeepCleave；貝塞爾DOE；多焦點(diǎn)DOE。
鉆孔
激光鉆孔利用聚焦的重復(fù)脈沖激光器汽化金屬，形成通孔。脈沖能量越大則汽化的金屬越多。作為激光加工領(lǐng)域主流應(yīng)用之一，多年來發(fā)展了各種打孔技術(shù)：?jiǎn)蚊}沖，叩擊，旋轉(zhuǎn)打孔，螺旋打孔等。激光打孔在多種場(chǎng)景應(yīng)用，包括橡膠、硅襯底等。
配合打能量激光器，分束（多點(diǎn)）DOE可用于提升鉆孔產(chǎn)率；平頂型光斑有利于提升孔壁的垂直度和邊緣銳度；渦旋濾光片可用于環(huán)形孔。

圖3.6 激光鉆孔工藝（左），金屬管打孔（右）

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激光剝離
激光剝離（Laser Lift Off, LLO）是一種選擇性的分離兩種材料的技術(shù)。激光投射到襯底與鍍層材料（如藍(lán)寶石襯底上的GaN）中間的粘結(jié)層上。激光剝離可以處理大尺寸器件并達(dá)到要求的精度與可重復(fù)性。因此，激光玻璃在LED工業(yè)中剝離發(fā)光薄膜中廣泛使用，同時(shí)也用于顯示、移動(dòng)終端等制程。
LeanLine^TM為專門為LLO開發(fā)的DOE，將圓形多模光斑變換成為細(xì)線分布，適用于紫外及綠色激光（343，355，532nm）。這種解決方案基于專有的衍射光學(xué)光束成型技術(shù)，可以很容易的擴(kuò)展至任意波長（193nm - 1600nm）。采用這種方案，用戶可以使用成本較低的多模激光器實(shí)現(xiàn)高功率密度的線光源。

圖3.7 LeanLine^TM 線聚焦（左）與柔性材料剝離（右）

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表面處理（硬化與熔覆）
激光表面處理的原理基于高功率密度的相關(guān)激光與表面在特定氣氛（真空，保護(hù)氣，過程氣）下的相互作用導(dǎo)致的表面改性。典型的應(yīng)用包括表面硬化與表面熔覆。
表面硬化是一種熱處理，通過將材料在短時(shí)間內(nèi)加熱至臨界溫度以上并迅速冷卻，金屬晶格將不能恢復(fù)初始結(jié)構(gòu)并達(dá)到很高的硬度。
表面熔覆是另一種熱處理過程。元件表面被加熱至熔點(diǎn)，熔融物固化并結(jié)晶，而其化學(xué)成份不便。

圖3.8 激光熱處理

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