激光加工技術(shù)在光通信產(chǎn)品領(lǐng)域的應用與探討

  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(guò)程。按照加工類(lèi)型，一般可分為如下幾種：

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

  非接觸式加工

  能量集中，熱影響區域小，待加工材料或零件的形變小

  激光束易于聚焦導向，可自動(dòng)化程度高

  加工穩定性好，效率高

  2. 激光加工系統中激光器的分類(lèi)

  激光加工系統中最核心的組成部分即是激光器，可以按照激勵類(lèi)型，工作波長(cháng)，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(guò)放電得到激發(fā)

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

  工作原理：它以CO2氣體作為工作媒介，它的工作過(guò)程主要是將CO2氣體和其它輔助類(lèi)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(guò)輝光放電，從而激發(fā)氣體產(chǎn)生波長(cháng)為1064um的激光

  典型應用：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(cháng)一般為1064nm

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

  典型應用：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)做成細長(cháng)的光纖形狀，有效增大了表面積，有利于散熱問(wèn)題的解決

  典型應用：低功率激光打標，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(cháng)：不同材料對波長(cháng)的吸收能力也不同，因此我們需要根據待加工材料的類(lèi)型，來(lái)選擇對應吸收能力波長(cháng)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(zhù)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(cháng)系列：利用水分子對2um波長(cháng)的激光有很強的吸收，激光對皮膚組織的穿透深度淺，因此2um波長(cháng)的高功率激光非常適合應用于微創(chuàng )手術(shù)

  2)光束質(zhì)量：激光加工是一個(gè)熱效應的過(guò)程，激光束的能量集中在加工材料的“靶區”范圍內，材料吸收能量，完成加工過(guò)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度等因素

  4. 激光加工在光通信產(chǎn)品(光器件)領(lǐng)域的應用

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

  改性處理：獲得熔化，氣化，光化學(xué)反應(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：例如對材料表面進(jìn)行粗糙化處理，增加材料與膠水之間的粘結效果

  去除：激光清潔等

  4)其他應用：包括激光打標，激光成型等

  5. 激光加工技術(shù)在光通信產(chǎn)品應用前景探討

  光通信領(lǐng)域，市場(chǎng)對通信帶寬的需求呈幾何倍數逐年增長(cháng)，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(guò)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)應用層面：

  1)超短脈沖激光器的應用

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

  加工的“無(wú)熱影響”：脈沖持續時(shí)間大于10ps的傳統激光，與材料作用時(shí)，熱過(guò)程將起到主要作用。脈沖持續時(shí)間小于10ps的超快激光，由于脈沖持續時(shí)間只有皮秒、飛秒量級，遠小于材料中受激電子通過(guò)轉移轉化等形式的能量釋放時(shí)間，能量來(lái)不及釋放該脈沖已經(jīng)結束，避免了能量的轉移，轉化以及熱量的存在和熱擴散，實(shí)現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(wú)論在光模塊應用中，無(wú)論是塑料Lens，玻璃Lens還是硅Lens都有著(zhù)大量應用。目前大多透鏡光纖仍然使用熔融拉錐和機械加工的方式，如果Lensed Fiber的加工成本能夠大幅降低，那么在很多應用場(chǎng)景中，就可以降低整個(gè)封裝器件的數量和成本。激光加工或許是一條可行路徑

  4)其他應用：包括光波導加工，光柵加工，及晶圓加工過(guò)程等

  總結，相較于包括消費電子，工業(yè)應用等行業(yè)在內，光通信行業(yè)尤其是細分到光器件行業(yè)，無(wú)疑是一個(gè)小眾領(lǐng)域，但光器件產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)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)應用，例如包括激光加工在內的先進(jìn)加工工程，這些無(wú)疑會(huì )對光器件產(chǎn)品提升質(zhì)量穩定性，持續降本提供強大推動(dòng)力。