對于高精密的應用，固定加工頭微切割是一種有潛力、在一些應用可以替代掃描振鏡冷消融的加工方式。該加工方式可進一步通過錐角補償、加工氣體供給或工件處理優化。

　　介紹

　　超短脈沖（USP）激光器現在已經慢慢從研究實驗室轉移到了工業微加工。皮秒和飛秒級別的脈沖寬度使得材料能夠不經過液化直接氣化。通過冷消融可以實現對玻璃、金屬、陶瓷和聚合物的逐層去除。鐘表業正在使用這種技術進行精細雕刻，掃描振鏡對復合材料的切割和鉆孔不會造成任何的熱影響區（HAZ），因而產生的表面和邊緣質量較高（見圖1）。

　　圖1：USP激光器通過冷消融的方式進行微加工。

　　左：在一個聚合物芯片系統實驗室上約200μm寬的微通道。

　　右：高邊緣質量的銅表針，顯示出一個明顯的錐角（寬度為0.7mm）。

　　超短激光脈沖消除熱影響

　　然而，對于某些應用，使用掃描振鏡冷消融的加工方式得到的精度與錐角是不夠的。錐角是在切割縫的邊界時產生的，部分是因為激光能量密度（每單位面積的能量）在那里比較低，部分是因為材料在那里再沉積。對于這些應用，使用固定加工頭、加工氣體噴嘴和高精度軸是很有優勢的。然而，軸的加速度和速度與掃描振鏡相比是微不足道的。因此，激光引入的熱量在固定加工頭的應用中會比較多。即使是局部熔化材料也不能完全排除這種現象。盡管如此，可以依舊保持工件質量。與固體激光器和CO2激光器的“熱”激光切割相比，超短脈沖確保引入的熱量在時間和空間上是可控的。因此，仍然不會對工件造成熱影響。用固定加工頭的USP激光微切割就如同微米范圍的熱加工。

　　更加陡的錐角和良好的邊緣質量

　　與掃描振鏡的冷消融加工方式相比，如果能正確采用固定加工頭微切割加工，則能形成更陡的錐角，同時保持良好的邊緣質量。優化的噴嘴能夠提供加工氣體，在高壓下去除材料的切縫。除了激光參數，噴嘴的幾何形狀和位置，以及加工氣體的類型和壓力同樣顯著影響著切割效果。另一個重要的方面就是合適的工件固定夾具的發展，同時支持可靠的固定和材料的自由切割（圖2）。要將設計圖導入激光系統加工時，必須考慮激光的切入以及出口的位置。當涉及高精度，工藝的開發和質量的控制時，就需要適當的測量設備，才能夠可靠地測量幾微米和表面粗糙度值低于一微米的公差。

　　圖2：與掃描振鏡冷消融加工方式相比，固定加工頭微切割能產生更高的精度和更陡的錐角。

　　左：直徑約5毫米的齒輪。

　　右：為了實現良好的質量，由噴嘴（頂部）提供加工氣體和合適的工件固定是必不可少的。

　　固定光學能夠對金屬、硅和陶瓷等材料進行微切割（圖3）。為了提高成本效率和生產率，可以考慮平行的加工頭。通快高功率超短脈沖激光TruMicro支持這樣的分光方法（圖4）。

　　圖3：固定光學微切割陶瓷。

　　左：約5mm直徑的部分，是鐘表行業應用的一個測試幾何形狀。

　　右：藍寶石和硅也可以用這個方法來切割。

　　提高零件質量的后續處理方法

　　各種后續的處理也許能夠進一步提高工件質量。在絲電火花加工和微細銑削的情況下，可以考慮熱處理以獲得目標強度、硬度或退火材料。為了優化粗糙的表面，如果需要的話，可以用一些化學的機械后處理方法。激光切割工件，有時會通過電化涂層來達到理想的表面。鐘表業是應用固定光學微切割或鉆加工方式最重要的領域之一，如紅寶石微軸承、手表手柄或其他元素。

　　圖4：TruMicro5000皮秒和飛秒系列激光器可提供的平均功率達100瓦，脈沖能量高達250微焦耳。超短脈沖的脈寬與其它參數結合，有助于減少和消除熱影響區域（HAZ）。

　　為鉆小孔設計的開孔加工頭

　　在加工過程中，通常我們需要得到一個陡的90度錐角。對于小孔的鉆孔，使用所謂的開孔加工頭可以做到。當它涉及到更復雜的幾何形狀的微切割時，這種類型的方法也變得越來越有優勢。從熱管理的角度來看，這個加工方式與使用的機械軸固定加工頭微切割來加工是類似的。然而，一些開發工作仍需改進現有開孔加工頭，使得它們變得更人性化，適用于比較復雜的工業微切割應用。一個有趣而具有挑戰性的選擇是工件夾具由一個傾斜的錐角來補償，特別是切割出整個工件。