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概要
虽然纳秒脉冲光纤激光器更多地用于打标，但其实它同样非常适用于切割各种类型的材料。这种设备成本低、外形紧凑、可靠性高，而且无需维护。这项基于扫描振镜的切割工艺可应用于各种各样的非金属材料，包括陶瓷、聚合物、碳复合材料，以及金属材料。本应用说明将具体讨论包括硅、陶瓷、塑料和橡胶在内的非金属材料，并列举使用脉冲光纤激光器切割这些材料的示例。
简介
脉冲光纤激光器具有直接调制的源 MOPA 设计，能实现短脉冲和相对较高的峰值功率，这些特性使其成为有效的切割工具。
作为标准连续波切割的替代方法，脉冲光纤激光可用于多道汽化切割工艺中，借助扫描振镜重复划过切割线，每次除去少量材料。这种切割方法无需喷嘴或辅助气体，是一种灵活、精确且经济实惠的解决方案。其切割设备本质上是一套简单的激光打标系统！
该设备可达到的切割速度差异巨大，切割薄片材料时，速度大于 10 m/min，切割厚度大于 1 mm 的材料时，速度小于 10 mm/min。切割较厚材料时，必须采用能有效扩大切缝宽度的特殊技术，例如切割线偏移或光束摆动技术。与传统的激光切割相比，这项工艺的切割速度可能较慢，但对于多数应用而言，纳秒脉冲光纤激光切割/打标系统所提供的低购置成本和极高的灵活性非常具有吸引力。
结果表明，SPI 的所有脉冲激光器型号 (SM/HS/HM) 都能进行有效切割，但各型号所展现的切割特性略有不同，因此型号的选择很大程度上取决于材料和所需的切割效果。例如，如果需要非常狭窄的切缝宽度，具有极高光束质量和小光斑尺寸的 SM 型号是最为合适的，而如果要切割较厚的材料，HM 型号较高的峰值功率和稍大一些的光斑尺寸通常能产生更好的效果。
硅切割
硅是广泛应用于电子工业和太阳能产业的材料（严格意义上来说是一种金属），其切割应用种类繁多。人们通常使用机械金刚石砂轮对硅材料进行切块或切削，但这种切割方式对于较薄的材料而言具有局限性，并且难以消除切边产生的豁口。脉冲激光器是可以替代机械砂轮的灵活切割方法，能轻松切割出复杂的图案和形状。图 1 是使用 20W SM 耗时 6 秒切割的 5 mm 方格。
图 1：在厚度为 200 µm 的多晶硅样品上切割而成的方格（图片由里斯本大学理学院提供）。
陶瓷切割
工业中需要进行大量的陶瓷切割作业。在电子行业中，许多薄基板是通过“刻画和折断”或通过切割的方式制成的，但这些加工方式同样存在材料吸收作用方面的局限性。陶瓷中的关键材料是氧化铝和氮化铝，使用 1 µm 激光对这两种材料进行切割的能力取决于具体材料类型和表面光洁度。举例而言，这种激光可以对绿色氮化铝进行良好切割，在基板上快速切割出小圆盘（图 2 和 3）。
图 2：使用 40W HM 激光器切割的厚度为 3 mm 的氮化铝绿色陶瓷，经过 6 次切割，速度为 50 mm/min。
图 3：使用 20W HS 对厚度为 0.7 mm 的氧化铝陶瓷进行的切割和打标（图片由 Orotig srl 提供）。
非金属切割
脉冲激光器也可用于切割各种类型的非金属材料，例如塑料和橡胶。确定是否能切割某种材料的主要因素是此种材料对 1 µm 激光的吸收率。许多塑料对这一波长的激光具有高透光率，因此不能完成切割，但是某些材料却可以。因此，在许多聚合物中使用红外线吸收添加剂逐渐成为通用的解决方案，这对打标尤其有效，在某些情况下，这些添加剂甚至能增强切割效果。某些材料（例如某些聚脂和聚乙烯）虽然能进行激光切割，但应进行测试以评估其适合程度。塑料切割的一个应用示例是塑料标签，只需简单更改激光器的工作参数即可将激光器用于打标以及将标签从片材上切割下来（图 4）。
图 4：在热收缩材料样品上打标并切割标签轮廓（图片由 Thinklaser 提供）。
其他示例包括对金属（例如电缆和电线）上的防护塑料护套的选择性切割（图 5）。
某些橡胶材料即使较厚，也能进行有效切割。其中一个示例是在厚度 4 mm 的黑色橡胶板上切割直径 1 mm 的通孔（图 6）。
图 5：使用 20W HS 从铜基板上切割下来的通用绝缘塑料。
图 6：使用 20W HS 切割的 4 mm 橡胶。
复合材料
厚度超过 1 mm 的碳纤维材料等复合材料可进行激光切割，但需要根据材料修改工艺条件，因为某些材料容易烧焦。另一种切割方法是切割多层材料。这种方法的一个有趣应用是在电子行业中使用 20W HS 激光器进行元件横切。激光器的灵活性能确保成功切割所有不同的材料层（图 7）。
图 7：使用 20W HS 激光器切割的 IC 芯片截面，图中显示了多个材料层。
结论
纳秒脉冲光纤激光器非常适用于汽化切割应用。文中的示例表明这种切割工艺能成功切割各种各样的非金属材料，展示了这种激光源的多功能性。
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