首頁
1
最新消息
2
技術新知
3
紅外/綠光/紫外雷射加工金屬差異4
https://www.steo.com.tw/ 超鋒科技股份有限公司
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
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 https://www.steo.com.tw/hot_512703.html
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 https://www.steo.com.tw/hot_512703.html
https://schema.org/EventMovedOnline https://schema.org/OfflineEventAttendanceMode
2025-04-02 http://schema.org/InStock TWD 0 https://www.steo.com.tw/hot_512703.html

一、雷射技術背景

雷射技術,自20世紀中葉誕生以來,已成為現代科技的基石之一,其發展背景豐富而深遠。 1960年,第一台雷射的問世標誌著一個新時代的開啟,梅曼利用紅寶石晶體成功產生了相干光,這種新型光源具有前所未有的單色性、相干性和方向性,為科學研究和技術應用開啟了新天地。進入21世紀後,隨著半導體泵浦技術、光纖雷射技術和超快雷射技術的發展,雷射技術迎來了新的飛躍。半導體泵浦技術提高了雷射的電光轉換效率,降低了製造成本。光纖雷射以其高功率、高穩定性和緊湊的結構設計,成為工業加工的優選。超快雷射器則以其超短脈衝特性,在微納加工和生物醫學領域展現出巨大潛力。目前,雷射技術正朝著更高功率、更高精度和更廣泛應用的方向發展。
隨著光纖雷射技術的快速發展,雷射的輸出功率、光束品質和電光效率不斷提高,為高功率綠光/紫外雷射的研發提供了技術基礎。非線性光學倍頻技術的發展,使得從紅外線光纖雷射轉換到綠光雷射成為可能,提高了綠光/紫外雷射的輸出功率。在工業加工領域,高功率雷射設備在航空航太、汽車製造、船舶製造等領域的切割、焊接、打標、測量發揮著重要的作用;在醫療應用領域,雷射的精確性和控制能力使其在眼科手術、皮膚治療和其他醫療程序中已廣泛應用。雷射技術已經滲透到日常生活的方方面面,從工業製造到藝術創作,再到科學研究。隨著技術的進步,高功率雷射的研發使得雷射在工業加工能力上顯著提升。

二、高功率、短波長雷射的應用發展及優勢

高功率綠光/紫外雷射的發展備受關注。連續光纖雷射器由於其運轉模式連續及其波導式結構的特點,具有輸出雷射能量均勻、高增益、高轉換效率、可實現超高功率輸出、光束品質較好、容易實現單模輸出和性能穩定等優點。

雷射與材料相互作用的原理是複雜多樣的,不同的雷射參數(如波長、功率、脈衝寬度等)和材料特性會導致不同的相互作用效果。這些交互作用的結果在雷射技術的應用中有著廣泛的利用,如材料加工、醫療治療、科學研究等。圖1表示了不同材料對不同波長雷射的吸收率曲線圖。可以看出不同材料對不同波長雷射的吸收率曲線不同。加工過程中材料吸收的雷射能量可轉換為熱能,導致材料局部溫度升高。這種熱效應在雷射切割、焊接和熱處理等過程中非常重要,導致材料相變,如熔化、蒸發或昇華。

銅材料是世界上應用最廣的金屬材料之一,在常溫條件下,如圖2所示,銅材對1064nm波段的雷射吸收率只有不到5%,而對532nm的綠光的吸收率可以達40%,相當於是近紅外線波段雷射的8倍。而銅材大量應用於鋰電、微電子等產業,目前工業界使用最多的是1064nm波段的近紅外線雷射器,由於銅對1064nm波段雷射吸收率低而會在加工過程中出現效率低、氣泡、飛濺等問題,而綠光/紫外雷射用於切割或焊接銅材等材料的效果比近紅外線雷射效果好很多。因此實現高功率、高效率的連續綠光輸出成為雷射的研究熱點之一。

圖1. 銅對不同波長的吸收率

圖2表示了幾種典型粉末材料對不同波長雷射的吸收率曲線圖。可以看出不同材料對不同波長雷射的吸收率曲線不同。加工過程中材料吸收的雷射能量可轉換為熱能,導致材料局部溫度升高。這種熱效應在雷射切割、焊接和熱處理等過程中非常重要,導致材料相變,如熔化、蒸發或昇華。


圖2. 典型粉末材料對各波長雷射的吸收率

綠光雷射的一個重要應用是3D列印技術。在金屬3D列印領域,綠光雷射可以提高列印質量,實現純銅材料複雜結構的3D 列印,圖3為單模連續綠光光纖雷射純銅列印分析結果。

使用單模連續綠光光纖雷射作為光源,在列印純銅方面的應用是一個相對較新的技術領域,它利用了綠光雷射的光束特性來克服傳統雷射技術在處理高反射材料時遇到的挑戰。由於純銅對綠光的吸收率遠高於對近紅外光的吸收率,使得綠光雷射在銅材料的加工上更為有效。另一方面,單模雷射產生的光束具有很高的品質和一致性,這對於精密加工至關重要,尤其是在列印純銅時,可以確保列印過程的精細度和一致性。


而在短波長雷射的開發中,紫外線(UV)雷射器和藍光雷射則因其獨特的應用特性而備受關注。由於紫外線雷射波長較短,對材料的純度和光學特性要求極高,目前難以找到能夠承受高功率紫外線雷射的材料,市場上出現的超過百瓦的紫外線雷射並不多見。藍光雷射雖然目前已有製造商實現了千瓦級的功率輸出,但在光纖合束前,藍光雷射需要進行空間合束,這一過程對雷射光束的品質、穩定性和功率分佈有嚴格要求,與光纖雷射器相比,藍光雷射的光束品質較差,這限制了其在某些精密加工應用中的性能。

三、結語與展望

高功率綠光在銅材精密焊接上有著明顯優勢,特別在電氣控制的IGBT和扁線馬達焊接上,具有熱影響小,飛濺小,拉力穩定,良率高。除了在銅等高反金屬材料焊接上有突出的物理特性優勢;還在高精密、高效率銅材料3D列印上,有著巨大的應用潛力。

(a)車載級高壓充電端子

(b) IGBT模組接腳雷射焊接應用

上一個 回列表 下一個