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紫外雷射加工應用案例:各式材料雷射切割、雷射雕刻、雷射標記、雷射鑽孔、雷射移除等4
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超鋒科技股份有限公司 238 新北市新北市樹林區東豐街49巷45號
飛秒雷射脈寬窄、頻譜寬,對色散會有特別嚴格的要求。 短脈衝對色散非常敏感,當脈衝長度的平方小於群延遲色散時,會產生顯著的脈衝展寬。 只有低色散的鏡片和膜層才能保證飛秒雷射在傳播過程中保持原有的特性。 同時,飛秒雷射在傳播過程中不可避免地會發生展寬或啁啾,需要利用特別的負色散鏡進行調節補償,因此低群速度色散GDD反射鏡和負色散鏡對飛秒雷射的應用特別關鍵。低群色散GDD鏡片和高品質負色散鏡,需要獨特的膜層技術能夠精確控制鏡片和膜層的色散特性。由於不同頻率復色光的光在同一介質中的折射率不一樣,因此不同頻率的光相速度也不一樣,導致它們會以不同的折射角被分解而在出射區域形成光譜,這就叫色散。 群速度的概念和波包相關,波包相當與多種頻率得光波組成的集合。 波包最大振幅處的傳播速度就是群速度。 當波包在介質中傳播史,由於波包中不同頻率得光波會有不同的傳播速度,於是波包的形狀會發生變化,這就是群速度色散(GVD,Group Velocity Dispersion),也稱之為群速彌散。 當脈衝長度的平方小於群延遲色散時,會產生顯著的脈衝展寬。 下圖是當脈衝通過介質時產生的脈衝展寬現象。GVD本質上指的是群速度在光通過透明介質時,它發生的變化和頻率或波長有關的現象。 這個術語也可以用作一個精確定義的量,即逆群速度對角頻率(有時是波長)的導數,GVD的值可以由以下公式表達:GVD=∂∂ω1vg=∂∂ω∂k∂ω=∂2k∂ω2其中k是頻率相關的波數,在考慮到與波導相關的應用時,我們可以用β進行代替。由於群速度色散是單位長度的群延遲色散,當我們要計算一個波導的群延遲色散時,可以用群速度色散與波導長度進行相乘,其基本單位是s2/m。 例如,二氧化矽在800 nm處的群速度色散為35 fs2/mm,在1500 nm處的群速度色散為- 26 fs2/mm。 在這些波長之間的某個地方(約1.3微米),存在著零色散波長。在光纖通信中,群速度色散的定義不是群速度對角頻率的導數,而是定義為對波長的導數。 由以下GVD參數可以計算出:Dλ=∂∂λ1vg=-2πcλ2∙GVD=-2πcλ2∂2k∂ω2上述的這個量通常以ps/(nm km)為單位(每納米波長變化的皮秒數和公里傳播距離)。 例如,20ps /(nm km)在1550nm(電信光纖的一個典型值)相當於- 25509 fs2/m。重要的是要認識到由於長波長對應較小的光學頻率而產生的GVD和Dλ的不同意義。 正態色散意味著隨著光頻率的增加群速度降低; 這在大多數情況下都會發生,而負色散與之相反。 根據不同的情況,群速度色散可以有不同的重要影響: 它與超短脈衝的色散時間展寬或壓縮有關。 在光纖中,非線性效應強烈地依賴於群速度色散。 例如,可能會有光譜展寬或壓縮,這取決於色散特性。 在參數非線性相互作用中,色散也是不同波群速度不匹配的原因。 例如,它可以限制倍頻器、光參量振蕩器和放大器的交互頻寬。 綜合上述原因,我們知道超快雷射由於時間脈寬窄,頻域譜寬較大,因此對色散會有特別嚴格的要求。 短脈衝對色散非常敏感。 當脈衝長度的平方小於群延遲色散時,會產生顯著的脈衝展寬。 群速度只有在群速彌散效應非常小的情況下才有意義,如果群速彌散效應非常大,波包可能很快就會解體,這時的群速度也就沒有意義了。 只有低色散的鏡片和膜層才能保證飛秒雷射在傳播過程中保持原有的特性。 只有低色散的鏡片和膜層才能保證飛秒雷射在傳播過程中保持原有的特性。 要使群速度色散非常小,就必須使得波包的頻寬非常小。群延遲色散(GDD)和三階色散(TOD)如果脈衝被介質反射鏡反射,改反射鏡表面鍍由高、低折射率交替相疊的薄膜層,會有一個相移在原始和反射的脈衝之間產生。 一般來說,相移Φ(ω)在中心頻率附近ω0可能擴大ω0附近的泰勒級數頻率表達式為:其中Φ' (ω0)為群延遲(GD,Group Delay),Φ'' (ω0)為群延遲色散(GDD,Group Delay Dispersion),Φ''' (ω0)為三階色散(TOD,Third Order Dispersion),更嚴格地說,這種展開式只適用於完全可以解的模型,變換限制高斯脈衝的傳播和純相位色散。 對於非常短的脈衝和振幅和相位色散的組合,數值計算可能是必要的。 然而,這一擴展清楚地顯示了單個術語的物理意義:假設相移是線性的頻率(即GD≠0, GDD = 0和TOD = 0脈衝頻寬),反射的脈衝是由不斷的群延遲的影響而發生相位延遲,當然,縮放的振幅反射率和脈衝頻譜仍將不失真。 當GDD≠0時,觀察到兩個重要效應:反射脈衝被暫時加寬。 這種展寬效應只取決於GDD的絕對值。我司提供「低GDD雷射鏡片」,即鏡片在給定波長範圍內|GDD|<20 fs2; 當脈衝被這些反射鏡反射時,需要這個鏡片的作用來保持脈衝形狀。此外,脈衝變成“啁啾”,即它在脈衝時間改變其瞬時頻率。 這種效應取決於GDD的信號,所以暫態頻率可能會變高(上調-啁啾,GDD>0)或更低(向下-啁啾,GDD<0)。 這允許通過使用負GDD反射鏡來補償非線性光學元件的正GDD效應。 如下圖所示,可以通過正負GDD來平衡色散的震蕩。同時,飛秒雷射在傳播過程中不可避免地會發生展寬或啁啾,需要利用特別的負色散鏡進行調節補償,因此低群延遲色散GDD反射鏡和負色散鏡對飛秒鐳射的應用特別關鍵。 TOD還決定了脈衝長度和脈衝形狀(有可能引起脈衝失真),在脈衝長度為20fs及以下時,TOD是一個非常重要的因素。 在低群色散GDD鏡片和高品質負色散鏡領域,需要獨特的膜層技術能夠精確控制鏡片和膜層的色散特性。 https://www.steo.com.tw/hot_512703.html 群速度色散(GVD)和群延遲色散(GDD) 2025-04-02 2026-04-02
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隨著雷射技術的不斷發展,不同功率、波長以及頻率的雷射不斷被推向市場。根據光源與物質的作用特點,將選用特定的雷射器,如紅外線雷射主要用於鋼鐵、銅和鋁等金屬零件的焊接、切割等加工;綠光雷射可用於太陽能電池劃片、摻雜、 3C電子和半導體銅箔切割、焊接以及晶圓退火等加工;紫外線雷射可用於塑膠、紙盒包裝、醫療器材、消費性電子產品等的切割、打標。紫外線脈衝雷射具有短波長、短脈衝、光束品質優、高峰值功率等優點,與綠光、紅外線相比,具有較小的熱效應等優勢。近年紫外線雷射加工廣泛幅射至醫療、日用、航太、半導體、電子等領域。

超鋒的紫外超快雷射在覆銅板(DBC)去除、PBC開窗、飛行打標、線材標記、PCB/FPC切割、木材切割、石墨打孔和玻璃加工等應用領域均有成熟的工藝表現。

紫外線雷射的四大加工製程應用案例

2.1 雷射去除(減材)

2.1.1 雷射覆銅板去除

覆銅板由於其具有良好的導熱性能和導電性,是重要的電子封裝材料,傳統的覆銅層去除主要透過覆膜顯影、蝕刻完成,流程複雜繁瑣。為優化覆銅板銅層去除步驟,使用紫外超快雷射進行覆銅去除,去除效果良好,銅層去除比較乾淨,與陶瓷相比底色差別不大,正反面雕刻,陶瓷未產生裂痕。

  

2.1.2 雷射PCB板開窗開槽
 
PCB上導線覆有油漆層,可防止短路對裝置造成傷害。所謂開窗就是去掉導線上的油漆層,讓導線裸露以便上錫處理。選用超快紫外雷射可以實現PCB板表面油漆層的去除,透過調整雷射參數還可以控制不同銅層的去除,實現精確開窗加工。下圖為PCB板雷射開槽前後對比。
 

 
2.2 雷射標記雕刻

  
2.2.1 雷射線材絕緣層標記
 
纜線產業為了使產品能夠清楚分辨品牌、種類、規格等,常常會在線纜上進行標識,傳統的標識方式是採用油墨噴碼機進行噴碼,這種方式不僅成本高而且污染大,並且油墨在線纜表面的附著性較差,經過機械運輸、環境老化、人為擦碰後容易被磨損破壞,難以滿足產業的實際需求。雷射標記可以有效解決油墨噴碼機的難題,且雷射塑膠標記的線條均勻、清晰,可讀性更高。選用超快紫外雷射在線纜上進行雷射標記,搭配大幅面場鏡,可在線上纜上實現字元的清晰標記,加工125mm幅面的字元僅需0.2s,可跟隨管線工作,與工業自動化配合進行飛行打標,滿足產線高節拍要求。
 

 
除了常規線材的標記,使用紫外線雷射在電線和電纜上直接印刷也在航空和航太工業中得到了OEM和最終用戶的廣泛測試和接受,該領域的線材標記一直被國外公司壟斷,為了推進航空航天領域線材標記,採用紫外超快雷射在電線絕緣層上進行字元標記,標記所用線纜為航空航太領域專用線材(電線規格BMS),在2000mm/s的運動速度下單次加工即可在電線上實現字元的清晰標記,字元標記深淺均一、線條均勻,邊緣無燒蝕發黑現象。
 


航太線纜加工效果(左)相機拍攝;(右)顯微鏡觀察

 

2.2.2 玻璃雷射雕刻標記
 
璃製品廣泛用於建築、日用、醫療、化學、家居等領域,在玻璃上雕刻、印刷、鐳射圖案、花紋已經是一種很常見的技術。選用超快紫外雷射可在玻璃表面或內層進行圖形、文字、LOGO等個性加工,效果可呈現白色或黑色,標示精細、清晰美觀。相較於普統超快雷射標記,紫外雷射加工效率較高,在玻璃打標領域,紫外雷射加工性價比更高。
 

玻璃標記效果內部標記(左);表面標記(右)
 
2.2.3 醫療器材雷射雕刻打標
 
雷射是符合醫療產業FDA和MDR標準的打標技術,可實現在所有醫療設備和器械上打標唯一設備識別碼(UDI)。醫療器材上的雷射打標可以獲得耐滅菌消毒的永久標識,採用紫外超快雷射可以在醫療器材上獲得永久和高對比度的標識,加工圖案例大小的幅面僅用15s左右,加工效率高。可於矽膠上進行雷射雕刻標記,不鏽鋼上進行全黑雷射雕刻。
 
 
2.2.4 其他非金屬雷射標記
 
在日常生活中,為了讓產品能夠清楚分辨品牌、種類、日期等,常常會在包裝上進行防偽標識,採用超快紫外雷射加工可以輕鬆實現塑膠包裝袋、試劑盒、膠帶、瓶蓋等的標記。下列常見的泛用塑膠接科進行雷射雕刻切割: PE、PP、PS、PVC、ABS、PMMA等 2、工程塑膠: 【泛用類工程塑膠】PA、POM、PBT、PC等 【高性能工程塑膠】PPS、PEEK、PAR等 3、彈性體: TPU、TPS等 4、合膠: PC
 
醫療產品外殼雷射雕刻/瓶蓋雷射雕刻/膠帶薄膜雷射標記
 

2.3 紫外雷射切割
       

2.3.1 PCB雷射切割
 
PCB板結構複雜、精細,雷射加工技術可實現此類材料的精密雷射切割,選用超快紫外雷射對1.2mm厚度的PCB板進行加工,切割斷面光滑。雷射切割軟板與硬板效果同樣卓越
 

PCB板雷射切割效果(左)相機拍攝;(右)顯微鏡觀察斷面圖
 
2.3.2 紫外雷射木材切割
 
紫外線雷射作為一種冷光源在切割加工上具有其獨特的優勢,超鋒超快紫外雷射雷射器在薄木片上進行特定圖形切割可以實現材料的雷射精密加工,雷射切割後的木材邊緣無發黑燒焦現象,切割面光滑無毛刺,美觀較好,在木製工藝品加工方面具有極高的性價比
 

木材雷射切割效果圖
 

2.4 雷射鑽孔-雷射石墨片鑽孔 雷射碳纖維切割
      

石墨片是一種全新的導熱散熱材料,屏蔽熱源與組件的同時可改善消費性電子產品的性能。紫外雷射可在石墨片上進行陣列鑽孔加工,透過螺旋線的方式進行加工,加工1,600個孔僅在10秒以內。
  

石墨片陣列雷射鑽孔加工效果(左)相機拍攝;(右)顯微鏡觀察
   

  

上述幾個案例分別列舉了超快紫外雷射在移除、標記、切割、鑽孔等領域的全應用,為材料雷射微加工提供了應用解決方案。

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