微秒单脉冲激光在不锈钢板钻孔中的时间脉冲整形优化

《Optics & Laser Technology》：Optimization of microsecond single-pulse laser drilling in stainless steel by means of temporal pulse shaping

　　

单脉冲激光钻孔是一种高生产率的金属箔穿孔方法。然而，传统的脉冲形状，如矩形或斜坡轮廓，在将时间能量沉积适配到特定目标孔几何形状方面提供的自由度有限，因此其产生具有精确入口和出口直径的精密孔的能力仍受限制。为克服这一局限，研究人员采用声光调制连续波激光器产生的微秒脉冲的时间整形技术，应用于200 μm厚不锈钢箔的单脉冲钻孔。所得脉冲由三个连续段组成，每段的功率和持续时间均可独立调节，从而实现对能量沉积的所需控制以适配目标孔几何形状。研究人员采用贝叶斯优化（Bayesian Optimization, BO）作为全局优化策略，在脉冲形状的六维参数空间中进行导航，旨在以最少的实验次数优化几何精度、可重复性和脉冲能量需求。在不到100次实验迭代中，即识别出优化的脉冲形状，所钻出的孔直径处于双十微米量级，标准偏差低于0.7 μm，脉冲能量小于10 mJ。对比分析证实，这些三段式脉冲在几何精度、可重复性和能量效率方面均优于矩形脉冲，可将所需脉冲能量降低高达28%。

一、研究背景与问题提出

在激光微加工领域，实现高精度与高生产率始终是一大核心挑战，尤其在过滤器等需要大量具有精确几何形状孔的器件生产中尤为突出。尽管激光钻孔技术取得了显著进展，但兼顾高精度和高生产率仍是难题。传统钻孔策略中，毫秒或微秒级脉冲容易向工件引入过多热量，导致毛刺、重铸层和微观结构改变，从而降低几何精度；而短脉冲（纳秒级）和超短脉冲（皮秒和飞秒级）虽能最小化热损伤并提高精度，但由于单脉冲去除材料量极少，钻一个孔通常需要数百至数千个脉冲，严重限制了整体生产率。此外，冲击钻孔、套料钻孔和螺旋钻孔等策略虽然能提供高几何精度，但也同样受限于较低的材料去除率，导致加工时间延长。相比之下，单脉冲钻孔能以单个激光脉冲完成完整孔洞，提供了最大化的生产率，但这要求对脉冲能量和时间形状进行精确控制以获得可重复的结果。

近年来，关于薄金属板（厚度<1 mm）单脉冲激光钻孔的研究已探索了脉冲持续时间和时间形状对孔质量、几何精度和工艺效率的影响。研究表明，较短的微秒脉冲（1–15 μs）结合初始高峰值后接低功率阶段，可实现绝热蒸发与高效熔体排出的组合，从而获得深微孔且入口直径最小；而较长脉冲则会导致过度熔化和孔堵塞。传统的矩形微秒脉冲也能产生可重复的微孔，但其入口和出口直径之间的强耦合限制了对这些几何特征的独立控制。然而，由于此前研究中所采用的脉冲形状大多受限于所用系统的预定义时间形状，时间整形能力有限，因此通过定制脉冲整形来优化薄金属箔单脉冲钻孔的系统性方法尚未得到充分探索。

针对这一空白，本研究利用声光调制连续波激光器生成的微秒级时间整形脉冲，在保持单脉冲钻孔高生产率的同时，追求通常与短脉冲或超短脉冲相关的精度水平。研究人员将脉冲参数化为三个具有独立可调功率和持续时间的时间段，并采用贝叶斯优化（Bayesian Optimization, BO）结合自动化显微图像分析，以识别能够产生指定入口和出口直径的精确且可重复孔洞的优化时间脉冲形状，同时最小化所用脉冲能量。最后，将三段式脉冲的结果与矩形脉冲的结果进行了比较。

二、关键技术方法

本研究采用的主要关键技术方法包括：

1. 1.
   时间脉冲整形技术：利用声光调制器（Acousto-Optic Modulator, AOM）对连续波光纤激光器（波长1075 nm，最大功率2 kW）的输出进行调制，生成由三个连续时间段组成的微秒级脉冲，每个段的功率和持续时间均可独立调节，构成一个六维参数空间。
2. 2.
   贝叶斯优化（Bayesian Optimization, BO）：作为一种全局黑盒优化框架，用于在高维参数空间中高效识别最优参数集，以最少的实验迭代次数找到满足预定质量目标的全局最小值。初始代理模型通过Sobol序列生成的12种不同脉冲形状进行初始化。
3. 3.
   自动化显微图像分析：从钻孔的光学显微镜图像中提取质量指标，包括入口和出口直径及其标准偏差，用于计算标量成本值，以评估每个参数集相对于优化目标的性能。

三、研究结果

3.1 三段式脉冲优化

通过两次独立的优化运行，分别针对不同的入口和出口直径组合（目标1：入口30 μm，出口20 μm；目标2：入口40 μm，出口30 μm）。在不到100次实验迭代内，BO成功识别出优化脉冲形状。对于目标1，优化后的平均入口直径为30.1 ± 0.7 μm，平均出口直径为20.1 ± 0.6 μm，脉冲能量为8.6 mJ。对于目标2，优化后的平均入口直径为39.8 ± 0.5 μm，平均出口直径为30.1 ± 0.5 μm，脉冲能量为9.7 mJ。结果表明，三段式脉冲能够独立控制入口和出口直径，实现高几何精度和优异的可重复性（标准偏差低于0.7 μm）。

3.2 脉冲能量分布分析

通过对突破时间t_b前后能量（E_pre和E_post）的分析发现，优化后的脉冲形状呈现出一种共同特征：大部分能量（约70–80%）在突破前沉积，而剩余能量在突破后用于扩大和修整出口。这种能量分配模式有助于实现精确的入口和出口直径控制。

3.3 与矩形脉冲的对比

在相同目标孔径下，将优化后的三段式脉冲与最佳矩形脉冲进行比较。结果显示，三段式脉冲在几何精度和可重复性方面均优于矩形脉冲。更重要的是，三段式脉冲所需的脉冲能量比矩形脉冲降低了高达28%（例如，目标1中从11.9 mJ降至8.6 mJ），显示出显著的能效优势。

四、讨论与结论

讨论部分指出，三段式脉冲之所以能实现更优的性能，归因于其能够灵活调控熔体排出动力学。具体而言，第一个高功率段负责快速加热和熔化材料并形成蒸汽压力；第二个中等功率段维持熔池并驱动熔体排出；第三个较低功率段则在突破后精细修整孔壁和出口，减少重铸层和毛刺。这种分阶段能量沉积方式有效解耦了入口和出口直径的控制，同时提高了能量利用效率。

研究结论：本研究证明，通过时间脉冲整形生成的三段式微秒脉冲，结合贝叶斯优化策略，能够在单脉冲激光钻孔中实现与短脉冲或超短脉冲相媲美的高几何精度和可重复性，同时保持了单脉冲工艺的高生产率。该方法在不到100次实验迭代内即可找到优化参数，并将所需脉冲能量降低达28%，显著优于传统矩形脉冲。这一成果为高精度、高效率的激光微孔加工提供了新的可行路径，尤其适用于过滤器、喷嘴等需要大量精密孔洞的工业应用场景。