激光加工技術在光通信產(chǎn)品領域的應用與探討

  1. 激光加工技術概述

  激光加工技術，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)生相互作用的過程。按照加工類型，一般可分為如下幾種：

  激光加工技術的優(yōu)點主要總結為如下幾個方面：

  非接觸式加工

  能量集中，熱影響區(qū)域小，待加工材料或零件的形變小

  激光束易于聚焦導向，可自動化程度高

  加工穩(wěn)定性好，效率高

  2. 激光加工系統(tǒng)中激光器的分類

  激光加工系統(tǒng)中最核心的組成部分即是激光器，可以按照激勵類型，工作波長，工作介質(zhì)等多個維度進行劃分：

  1)氣體激光器：介質(zhì)是氣體的激光器，此種激光器通過放電得到激發(fā)

  激光器簡介：CO2激光器，工作波長10600nm

  工作原理：它以CO2氣體作為工作媒介，它的工作過程主要是將CO2氣體和其它輔助類氣體一同充入放電管，然后在電極上放上高壓，這時放電管將會通過輝光放電，從而激發(fā)氣體產(chǎn)生波長為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

  激光器簡介：

  Nd: YAG激光器：最常用的固體激光器，工作波長一般為1064nm

  Nd: YVO4激光器： 低功率應用最廣泛的固體激光器，工作波長一般為1064nm，可以通過KTP，LBO非線性晶體倍頻后產(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

  激光器簡介：稀土摻雜光纖激光器

  工作原理：將激光介質(zhì)做成細長的光纖形狀，有效增大了表面積，有利于散熱問題的解決

  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要素

  1)波長：不同材料對波長的吸收能力也不同，因此我們需要根據(jù)待加工材料的類型，來選擇對應吸收能力波長的激光(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波長系列：利用水分子對2um波長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波長的高功率激光非常適合應用于微創(chuàng)手術

  2)光束質(zhì)量：激光加工是一個熱效應的過程，激光束的能量集中在加工材料的“靶區(qū)”范圍內(nèi)，材料吸收能量，完成加工過程。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，激光焊接技術的優(yōu)勢是毋庸置疑的

  3)激光表面處理：利用激光對待加工材質(zhì)表面進行處理，可以獲得改性，打磨，去除等多種效果  2)激光切割：利用CO2激光器對連接器件的光纖進行切割加工，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的研磨工藝，這在數(shù)據(jù)中心多模短距光模塊的應用中也已經(jīng)越來越廣泛。雖然目前激光加工精度還無法比擬研磨工藝，但其低加工成本，靈活的切割角度調(diào)整，以及避免了研磨工藝造成的光纖端面污染問題是其吸引力所在

  改性處理：獲得熔化，氣化，光化學反應(化學氣相沉積)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. 激光加工技術在光通信產(chǎn)品應用前景探討

  光通信領域，市場對通信帶寬的需求呈幾何倍數(shù)逐年增長，隨之推動延伸出諸多新技術，這些技術從理論化到產(chǎn)品化以及最終商業(yè)化的過程，需要配套加工技術更新?lián)Q代的推動。我們不妨探究如下幾個應用層面：

  1)超短脈沖激光器的應用

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

  加工的“無熱影響”：脈沖持續(xù)時間大于10ps的傳統(tǒng)激光，與材料作用時，熱過程將起到主要作用。脈沖持續(xù)時間小于10ps的超快激光，由于脈沖持續(xù)時間只有皮秒、飛秒量級，遠小于材料中受激電子通過轉移轉化等形式的能量釋放時間，能量來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，實現(xiàn)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，解決面型畸變，那么將會有很大的適用潛力

  3)透鏡光纖

  目前無論在光模塊應用中，無論是塑料Lens，玻璃Lens還是硅Lens都有著大量應用。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，那么在很多應用場景中，就可以降低整個封裝器件的數(shù)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，及晶圓加工過程等

  總結，相較于包括消費電子，工業(yè)應用等行業(yè)在內(nèi)，光通信行業(yè)尤其是細分到光器件行業(yè)，無疑是一個小眾領域，但光器件產(chǎn)品生產(chǎn)過程中又大多屬于勞動密集型產(chǎn)業(yè)。多關注其他領域和行業(yè)的新技術應用，例如包括激光加工在內(nèi)的先進加工工程，這些無疑會對光器件產(chǎn)品提升質(zhì)量穩(wěn)定性，持續(xù)降本提供強大推動力。