激光加工技術(shù)在光通信產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用與探討

  1. 激光加工技術(shù)概述

  激光加工技術(shù)，即是利用“高功率，高密度，高方向性，高單色性，高相干性”的激光束作用在待加工材料或零件上，產(chǎn)生相互作用的過程。按照加工類型，一般可分為如下幾種：

  激光加工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要總結(jié)為如下幾個(gè)方面：

  非接觸式加工

  能量集中，熱影響區(qū)域小，待加工材料或零件的形變小

  激光束易于聚焦導(dǎo)向，可自動(dòng)化程度高

  加工穩(wěn)定性好，效率高

  2. 激光加工系統(tǒng)中激光器的分類

  激光加工系統(tǒng)中最核心的組成部分即是激光器，可以按照激勵(lì)類型，工作波長(zhǎng)，工作介質(zhì)等多個(gè)維度進(jìn)行劃分：

  1)氣體激光器：介質(zhì)是氣體的激光器，此種激光器通過放電得到激發(fā)

  激光器簡(jiǎn)介：CO2激光器，工作波長(zhǎng)10600nm

  工作原理：它以CO2氣體作為工作媒介，它的工作過程主要是將CO2氣體和其它輔助類氣體一同充入放電管，然后在電極上放上高壓，這時(shí)放電管將會(huì)通過輝光放電，從而激發(fā)氣體產(chǎn)生波長(zhǎng)為1064um的激光

  典型應(yīng)用：適用于非金屬，玻璃(含光纖)，等材料的加工

  2)固體激光器：工作介質(zhì)是在作為基質(zhì)材料的晶體或玻璃中均勻摻入少量激活離子。固體激光器輸出峰值功率可以很高，光束質(zhì)量好，性噪比高

  激光器簡(jiǎn)介：

  Nd: YAG激光器：最常用的固體激光器，工作波長(zhǎng)一般為1064nm

  Nd: YVO4激光器： 低功率應(yīng)用最廣泛的固體激光器，工作波長(zhǎng)一般為1064nm，可以通過KTP，LBO非線性晶體倍頻后產(chǎn)生532nm綠光的激光器

  典型應(yīng)用：適用于金屬，塑料，等材料的加工

  3)光纖激光器：采用光纖作為激光介質(zhì)的激光器

  激光器簡(jiǎn)介：稀土摻雜光纖激光器

  工作原理：將激光介質(zhì)做成細(xì)長(zhǎng)的光纖形狀，有效增大了表面積，有利于散熱問題的解決

  典型應(yīng)用：低功率激光打標(biāo)，激光雕刻，高功率重金屬切割，激光焊接

  3. 激光加工的選型及核心技術(shù)要素

  1)波長(zhǎng)：不同材料對(duì)波長(zhǎng)的吸收能力也不同，因此我們需要根據(jù)待加工材料的類型，來選擇對(duì)應(yīng)吸收能力波長(zhǎng)的激光(器)

  紅外系列(1064nmor1053nm): 金屬，塑料，聚碳酸酯，酚醛塑料，ABS,氧化/著色等材料;

  綠光系列(532nmor 527nm): 高反光金屬(銅/黃銅)，陶器，箔片，塑料，硅，合成物等材料;

  紫外/深紫外系列(355，351，266，263nm): 玻璃，組織材料， 尼龍，聚乙烯等塑料品;

  CO2系列(10600nm): 玻璃(含光纖)，橡膠，皮革，紙板，PVC等材料;

  2000nm波長(zhǎng)系列：利用水分子對(duì)2um波長(zhǎng)的激光有很強(qiáng)的吸收，激光對(duì)皮膚組織的穿透深度淺，因此2um波長(zhǎng)的高功率激光非常適合應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)

  2)光束質(zhì)量：激光加工是一個(gè)熱效應(yīng)的過程，激光束的能量集中在加工材料的“靶區(qū)”范圍內(nèi)，材料吸收能量，完成加工過程。而激光光束是一種非均勻高斯球面波，因此激光光束空間能量分布形狀會(huì)直接影響到待加工材料的焦斑總能量情況，也就是影響到加工質(zhì)量

  3)功率(亮度)：顧名思義就是激光輸出的能量，會(huì)直接影響到加工的深度或強(qiáng)度等因素

  4. 激光加工在光通信產(chǎn)品(光器件)領(lǐng)域的應(yīng)用

  1)激光焊接：在OSA產(chǎn)品中的激光焊接應(yīng)用最為典型的，也已經(jīng)成為行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)流程。相比較于粘膠和電阻焊工藝，激光焊接技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是毋庸置疑的

  改性處理：獲得熔化，氣化，光化學(xué)反應(yīng)(化學(xué)氣相沉積)等效果，例如利用淬火效果，可以大幅增加材質(zhì)的耐磨性，抗腐蝕，抗氧化等能力

  打磨：例如對(duì)材料表面進(jìn)行粗糙化處理，增加材料與膠水之間的粘結(jié)效果

  去除：激光清潔等

  4)其他應(yīng)用：包括激光打標(biāo)，激光成型等

  5. 激光加工技術(shù)在光通信產(chǎn)品應(yīng)用前景探討

  光通信領(lǐng)域，市場(chǎng)對(duì)通信帶寬的需求呈幾何倍數(shù)逐年增長(zhǎng)，隨之推動(dòng)延伸出諸多新技術(shù)，這些技術(shù)從理論化到產(chǎn)品化以及最終商業(yè)化的過程，需要配套加工技術(shù)更新?lián)Q代的推動(dòng)。我們不妨探究如下幾個(gè)應(yīng)用層面：

  1)超短脈沖激光器的應(yīng)用

  超短脈沖激光器可以實(shí)現(xiàn)“激光冷加工”，如我們前面介紹的，常規(guī)的激光加工技術(shù)都會(huì)產(chǎn)生不可避免的熱效應(yīng)，引起材料變形。例如，光纖切割過程，就會(huì)造成光纖截?cái)嗝娴男巫?，而超短脈沖激光器的特點(diǎn)如下，這對(duì)于我們降低加工材料的面型畸變無疑是一個(gè)很好的解決途徑

  加工的“無熱影響”：脈沖持續(xù)時(shí)間大于10ps的傳統(tǒng)激光，與材料作用時(shí)，熱過程將起到主要作用。脈沖持續(xù)時(shí)間小于10ps的超快激光，由于脈沖持續(xù)時(shí)間只有皮秒、飛秒量級(jí)，遠(yuǎn)小于材料中受激電子通過轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化等形式的能量釋放時(shí)間，能量來不及釋放該脈沖已經(jīng)結(jié)束，避免了能量的轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)化以及熱量的存在和熱擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的激光“冷”加工

  2)硅光集成耦合用特種光纖

  包括楔形光纖，錐形光纖等的加工，目前仍主要以研磨工藝為主，工藝復(fù)雜，成本高，如果能夠利用激光加工技術(shù)，解決面型畸變，那么將會(huì)有很大的適用潛力

  3)透鏡光纖

  目前無論在光模塊應(yīng)用中，無論是塑料Lens，玻璃Lens還是硅Lens都有著大量應(yīng)用。目前大多透鏡光纖仍然使用熔融拉錐和機(jī)械加工的方式，如果Lensed Fiber的加工成本能夠大幅降低，那么在很多應(yīng)用場(chǎng)景中，就可以降低整個(gè)封裝器件的數(shù)量和成本。激光加工或許是一條可行路徑

  4)其他應(yīng)用：包括光波導(dǎo)加工，光柵加工，及晶圓加工過程等

  總結(jié)，相較于包括消費(fèi)電子，工業(yè)應(yīng)用等行業(yè)在內(nèi)，光通信行業(yè)尤其是細(xì)分到光器件行業(yè)，無疑是一個(gè)小眾領(lǐng)域，但光器件產(chǎn)品生產(chǎn)過程中又大多屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)。多關(guān)注其他領(lǐng)域和行業(yè)的新技術(shù)應(yīng)用，例如包括激光加工在內(nèi)的先進(jìn)加工工程，這些無疑會(huì)對(duì)光器件產(chǎn)品提升質(zhì)量穩(wěn)定性，持續(xù)降本提供強(qiáng)大推動(dòng)力。