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应用天地 Applications

扫描振镜

扫描振镜达到激光微加工所需的

兆赫兹级重复频率

最大化烧蚀效率以及选择正确的峰值能量密度，能够实现高吞吐量和高质量的
激光加工过程。

文/ Holger Schluter，Beat Jaeggi，Beat Neuenschwander，Markus Zimmermann

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超 短脉冲（USP，也称为超 脉冲重复频率的工作范围在个位数兆 M 优于 1.1。（这两个值均用扫描狭
缝光束轮廓仪测量。）
快）激光器的可用性，提
赫兹量级。因此，需要非常高的扫描
供了非常精确的加工能力， 速度来保持最佳脉冲重叠。图 1 示给 为了测试新振镜系统的精度，使
= 6μm、重复频率高达 用抛光的硅晶片作为样品材料。在具
使激光微加工的能力不断扩展。然而， 了光斑半径 w 0
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当优化 USP 激光器的高吞吐量和高 f rep = 10MHz 时，计算得出的振镜扫 有 0.064J/cm 阈值通量的抛光不锈钢
质量的激光加工工艺时，必须考虑 描速度。 1.4301（在美国称为 AISI 304）上进
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新的因素。首先，烧蚀效率（指以立 行烧蚀工艺实验，产生 0.47J/cm 的
方毫米每分钟和瓦表示的特定去除速 测试装置和首个结果 最佳激光峰值能量密度。在该激光峰
率）必须最大化。特别是为了实现良 测试激光器系统使用的是美 值能量密度下进行烧蚀实验。
好的表面质量，必须正确选择激光的 国 Lumentum 公司（前身为 Time- 在实验中使用的振镜扫描系统是
峰值能量密度。 Bandwidth Products 公司）的 Fuego SCANLAB 公 司 的 intelliSCANse 10。
模块，其能产生 10ps 的脉冲。从激 在闭环数字比例积分微分（PID）控制
增加脉冲能量和光斑尺寸 光器发射的光，通过一个产生圆偏振 架构中，用于两个扫描轴的两个振镜
以每单位时间体积来增加烧蚀 的 λ/4 波片，然后通过四个反射镜引 马达的镜片位置，使用 SCANLAB 公
效率的自然方式是简单地增加平均功 导到扫描振镜的孔径。扫描振镜前面 司的光学数字编码器提供的位置信息
率。然而，为了保持最高的加工质量， 装有一个光束扩束器。 进行控制，该编码器基于 SCANLAB
平均功率必须与激光脉冲重复频率或 使用焦距为 v scan /m /s Scan speed for w 0 = 6 µm
烧蚀面积一起增加，以将激光峰值能 100mm 的聚焦物 50
量密度保持在最佳点。另外，良好的 镜，在 532nm 二次 40 50%
加工质量需要脉冲到脉冲的距离（所 谐 波（SHG）波长 overlap Speed limit
30 galvo scanner
谓的间距）在半个到一个光斑半径范 下进行实验，产生 in this experiment
围内的某个值，或者换句话说，脉冲 的光斑半径 w0 为 20
重叠大约为 75%。对于给定的间距 p 6.2μm，光束质量 75% Speed limit
10 overlap conventional
和光斑半径 w 0 ，重叠 o 是： galvo scanner
v scan =f rep · 2 · w 0 · (1-o) 图1：各种情况下 0
振镜的速度限制。 0 2 4 6 8 10
对于目前可用的 USP 激光系统， f rep /MHz

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