在微流體和醫(yī)療器械包裝等多個(gè)領(lǐng)域中, 需要在不使用粘合劑或中間層的情況下, 將玻璃和玻璃或者玻璃和其他材料結(jié)合起來(lái)。激光微型焊接能夠?qū)崿F(xiàn)這一目的, 使用超短脈沖激光器在兩種材料的接合處產(chǎn)生高強(qiáng)度聚焦, 從而造成材料熔化并混合在一起。這種方法產(chǎn)生的粘合層非常窄 <100 μm，保留了光學(xué)清晰度,并且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。

這種方法產(chǎn)生的粘合層非常窄 <100μm, 保留了光學(xué)清晰度, 并且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。最近, MKS Spectra-Physics® 工業(yè)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室的工程師演示了將 50 W 紅外IceFyre1064-50皮秒激光系統(tǒng)用于玻璃和玻璃以及玻璃和鋁的激光微型焊接。工程師為實(shí)現(xiàn)最佳速度和焊接質(zhì)量設(shè)置了激光參數(shù)，同時(shí)也避免破裂和斷續(xù)焊接。

在焊接之前, 需要使兩個(gè)表面結(jié)合得非常緊密, 通常達(dá)到亞微米級(jí), 不過(guò)我們采用了更大的間隙來(lái)演示焊接。這個(gè)步驟可以通過(guò)多種方式來(lái)完成。在各種情況下, 表面必須平整、經(jīng)過(guò)拋光并且清潔。對(duì)于玻璃和鋁的焊接, 需要使用夾具來(lái)創(chuàng)造接觸區(qū)域, 而對(duì)于玻璃和玻璃的焊接, 則可采用光學(xué)接觸方式將樣本結(jié)合在一起。

為實(shí)現(xiàn)牢固、范圍極小的微型焊接, 工程師使用 0.50 NA 的 8 mm 焦距透鏡在兩種材料之間的接合處緊密地聚焦光束。焦點(diǎn)光斑的非線性吸收可實(shí)現(xiàn)小范圍焊接，同時(shí)對(duì)周圍的材料造成最小的熱效應(yīng)。焦點(diǎn)在材料接合處平移, 有時(shí)會(huì)通過(guò)接觸不良的區(qū)域，產(chǎn)生跨接觸區(qū)域的熔接線, 偶爾會(huì)超出接觸區(qū)域。由于焊接能夠連接非常小的間隙, 我們可以將接觸區(qū)域向外延伸到焊接更大的區(qū)域。

圖1 顯示玻璃和玻璃的焊接線, 具有細(xì)微的外部修改區(qū)域,~30 μm寬的內(nèi)部修改區(qū)域兩側(cè)寬度各為 ~25 μm, 熔體池中存在外觀調(diào)整, 但間距 (~20 μm) 比脈沖間隔(<1 μm) 長(zhǎng)得多。熔化區(qū)域的這種調(diào)整可能是由反饋過(guò)程造成的; 在此過(guò)程中, 熔化區(qū)域和相關(guān)的折射率變化使光束焦點(diǎn)發(fā)生扭曲, 從而降低非線性吸收并減少熔化, 只在光束稍微偏離扭曲焦點(diǎn)的熔池時(shí)增加熔化。

玻璃和玻璃的焊接與玻璃和鋁的焊接之間實(shí)現(xiàn)最佳結(jié)果的參數(shù)有明顯的不同。玻璃和玻璃的焊接得益于極高重復(fù)頻率、極高重疊的處理。產(chǎn)生的焊接點(diǎn)很整齊, 加工后沒(méi)有裂紋或分離 (圖1)。在處理之后, 工程師對(duì)樣本進(jìn)行劃線并將其打破, 以獲得橫截面視圖, 如圖2 所示。

橫截面顯示以 25 mm/s 的速度處理的四條焊接線, 每條都呈倒置的淚滴形。如圖1 中的從上到下視圖所示, 圖中存在清晰的內(nèi)部熔化區(qū)域以及更細(xì)微的外部區(qū)域。在焊點(diǎn)之間, 我們可以看到兩片玻璃之間的界面, 但在焊接點(diǎn)上, 界面消失, 表示兩片玻璃完全融合。我們可以在焊接點(diǎn)之間看到破裂, 但這是由用于獲取橫截面的裂開(kāi)過(guò)程造成的, 在裂開(kāi)之前拍攝的從上到下圖像中不存在破裂。

玻璃和鋁的焊接的處理速度與玻璃和玻璃的焊接相同, 但需要采用更低的脈沖重復(fù)頻率進(jìn)行處理。功率也有所降低，以避免因鋁表面比玻璃和玻璃的焊接更高的吸收率而產(chǎn)生的破裂和分離。如圖3 中所示, 從上方查看時(shí), 玻璃/鋁接合處的焊接點(diǎn)顯示為黑色線條。

圖4 中顯示了玻璃片從鋁上脫離之后的鋁表面。許多玻璃碎片仍然附著在表面上, 寬度為幾毫米, 高度超過(guò) 100 μm,表明玻璃和鋁之間牢固結(jié)合。

超快激光微型焊接是一個(gè)敏感的過(guò)程, 需要進(jìn)行一些參數(shù)調(diào)整，以產(chǎn)生牢固、可重復(fù)的焊接點(diǎn)。使用 IceFyre ps 紅外激光系統(tǒng), 可以為不同的材料組合開(kāi)發(fā)優(yōu)化的焊接過(guò)程, 展示 IceFyre 激光器在各種激光焊接應(yīng)用中的有效性和靈活性。

產(chǎn)品:ICEFYRE

全新 IceFyre355-50 是市面上表現(xiàn)極佳的紫外皮秒激光器, 在 1.25MHz (>40 μJ) 時(shí)提供 >50 W 的紫外輸出功率, 脈沖串模式下的脈沖能量為 100 μJ, 脈沖寬度為 10 ps。IceFyre355-50 設(shè)定了從單次激發(fā)到 10 MHz 的功率和重復(fù)率的新標(biāo)準(zhǔn)。IceFyre355-30 提供 >30 W 的典型紫外輸出功率, 脈沖能量 >60 μJ (脈沖串模式下脈沖能量更大),并提供從單次激發(fā)到 3 MHz 的優(yōu)異性能。IceFyre1064-50 在 400 kHz 單脈沖時(shí)提供 >50 W的紅外輸出功率, 并提供從單脈沖到 10 MHz 的優(yōu)異性能。IceFyre 激光器獨(dú)特的 TimeShift™ 設(shè)計(jì)利用光纖激光器的靈活性和 Spectra-Physics 獨(dú)有的功率放大器能力,實(shí)現(xiàn) TimeShift™ ps 可編程脈沖串模式技術(shù), 實(shí)現(xiàn)業(yè)內(nèi)極其高的多功能性和極其廣泛的應(yīng)用范圍。每臺(tái)激光器均配備一組標(biāo)準(zhǔn)波形;可選的 TimeShift ps GUI 可用于創(chuàng)建自定義波形。該激光器的設(shè)計(jì)可為高掃描速度的優(yōu)質(zhì)加工(例如使用多面掃描鏡)實(shí)現(xiàn)同類激光器中時(shí)間抖動(dòng)極其低的按需脈沖(POD)和位置同步輸出(PSO)觸發(fā)功能。

作者：Resource 館主

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