高重频热积累 透明—金属焊接 脉冲簇 贝塞尔光束
应用背景#
在高端制造中，经常需要将玻璃、蓝宝石、石英等透明材料彼此连接，或与金属、陶瓷等异质材料实现高精度、高强度的密封连接：
- 航空航天： 光学窗口与金属框架的气密连接；
- 医疗器械： 微流控芯片封装、植入式传感器气密封装；
- 消费电子： 手机摄像头模组和 AR/VR 眼镜光学元件固定；
- 半导体： 芯片玻璃盖封装。
传统连接方法的痛点
粘合剂：
- 老化与可靠性： 胶水会随时间、温度和紫外线照射而老化、变脆、发黄，航空航天与医疗植入场景难以接受；
- 释放气体： 在真空或超净环境中缓慢释放有机分子，污染光学元件或敏感器件；
- 热应力与导热： 胶层导热性差，且其热膨胀系数（CTE）与玻璃、金属差异很大，温度循环会产生巨大内应力并引起开裂或脱落。
阳极键合： 主要用于硅—玻璃，需要高温和高电压，可能损伤敏感电子元件，而且材料组合受限。
钎焊／焊料连接： 需要中间层，引入新的材料界面和腐蚀风险；高温过程对 CTE 差异较大的材料同样会造成显著热应力。
机械连接： 螺钉、卡扣体积大，存在应力集中，而且难以实现真正气密。
超快激光的核心优势
- “冷”加工： 飞秒脉冲约为 \(10^{-15}\ \mathrm{s}\)，远短于皮秒量级的电子—晶格能量交换时间。能量可精准注入材料内部，最大限度减小热影响区；
- 非线性吸收： 峰值功率可达 GW 甚至 TW，能够诱发多光子吸收和隧穿电离，使能量穿过透明表面并沉积于内部任意深度；
- 直接连接： 不需要胶水或焊料，通过材料间的直接熔融获得高强、高稳定和高气密焊缝。
超快激光焊接核心原理#
均质透明材料：高重频热积累
第一步：初始能量沉积
飞秒脉冲聚焦到两片玻璃的界面。焦点峰值功率密度超过 \(10^{13}\ \mathrm{W/cm^2}\) 时，材料电子受到强外电场驱动，开始发生非线性吸收：
- 价带电子同时吸收多个光子，发生多光子电离；
- 电子直接从价带隧穿至导带，发生隧穿电离；
- 两者的主导关系可由凯尔迪什效应判断；
- 初始自由电子被激光场加速，再通过碰撞产生更多电子，形成雪崩电离。这一过程也可参阅激光与物质相互作用：能量吸收。
第二步：从“冷”改性到“热”熔融
单脉冲或约 1 kHz 低重频下，沉积能量很快扩散，材料冷却，通常只在焦点产生永久改性或损伤，体现为“冷加工”。
焊接依赖热积累效应，通常要求重复频率超过 100 kHz，甚至达到 MHz。后一个脉冲到达时，前一个脉冲的热尚未完全散失，晶格仍处于温热状态，热量连续累积，直至超过玻璃熔点。例如石英玻璃熔点约 1700 °C，焦点附近便形成局部熔池。
典型情况下，脉冲间隔约 1 µs，小于约 2 µs 的热扩散时间，因此能够持续积热。
第三步：泪滴状熔融区
熔池常呈泪滴状（tear-drop）。焦点形成等离子体后，等离子体会强烈吸收后续能量，同时产生折射、反射及等离子体屏蔽／散焦。有效焦点因此向激光入射的反方向，即朝光源方向移动并扩展，等离子体沿轴向吸收能量、向上生长，形成细长非对称熔融区。
达到能量和等离子体密度平衡后，生长停止，区域冷却为上宽下窄的泪滴结构。这个“泪滴”就是焊缝本体；只要它跨越两片玻璃的界面，便能形成牢固连接。
透明／金属异质材料：接触状态决定机制
激光先穿过透明材料并到达透明—金属界面。金属含有大量自由电子，会通过源文所述的线性吸收／逆轫致辐射直接吸收能量、快速熔化；能量足够高时，透明材料一侧也发生非线性吸收。
光学接触#
两表面极平整，间隙小于 \(1/4\) 波长，通常低于 100 nm，因此需要昂贵的超精密抛光。
金属汽化形成的等离子体被禁锢于微小间隙，温度和压力急剧升高：
- 高温等离子体把热量高效传给上方透明材料并使其熔化；
- 高冲击压力驱动两种熔体混合、渗透和反应，可能形成新合金相或化合物。
这种连接通常属于冶金结合，原文报告的最高强度可达 108 MPa。
非光学接触#
实际工业表面常有微米级粗糙度与间隙。等离子体可自由膨胀，能量迅速散失，其温度和压力远低于光学接触，难以充分加热透明材料。
连接主要依赖：
- 熔融金属飞溅与填充： 烧蚀产生的液滴在冲击波驱动下填入间隙，冷却后形成机械锁合；
- 可逆／不可逆膨胀： 低能量时透明材料热软化并可逆膨胀至接触；高能量时发生不可逆熔体喷射，强制填隙。
结合力主要来自机械锁合和范德华力，通常低于 20 MPa。因此高可靠透明—金属焊接首先要保证界面预处理和装夹精度；无法实现光学接触时，则需要借助后文的时空整形方法补偿。
受限等离子体、高温高压、冶金结合，最高约 108 MPa。
等离子体自由膨胀、填隙与机械锁合，通常低于 20 MPa。
焊接中的瓶颈问题#
热物理参数差异
CTE 不匹配是异质材料焊接的核心问题。铝的 CTE 约为 23.6 ppm/K，约是石英玻璃 0.59 ppm/K 的 40 倍。冷却时铝剧烈收缩、玻璃收缩很小，界面产生巨大剪切应力，可能撕裂焊缝或使脆性玻璃开裂。
工程上应优先选择 CTE 匹配的材料，例如使用低 CTE 的因瓦合金或可伐合金连接玻璃。无法换材时，可通过环形、分段路径释放应力，并调整参数控制冷却速度。
熔点和导热率差异： 金属熔点通常低于陶瓷和部分玻璃，导热率却高得多。焊接时金属易熔化、甚至汽化，热量又难以高效传至玻璃，导致熔融状态极不均匀。
界面产物不可控
理想状态是界面充分混合或发生有益反应，以增强结合力；现实中过程高度复杂。有研究在不锈钢—玻璃界面未发现新相，另一些研究在铝—玻璃界面发现氧化铝和纳米硅。
结果受材料组合、激光参数和界面洁净度等影响，目前缺少可精确预测的理论模型。工程开发仍高度依赖试错和工艺窗口实验。
焦点漂移
- 克尔效应自聚焦： 高峰值功率改变介质折射率，使材料自身像会聚透镜，实际焦点可能比几何焦点更深；
- 等离子体散焦： 等离子体折射率低于周围介质，像发散透镜一样使光束散焦。
两种效应叠加，使实际能量沉积位置随功率和脉冲数动态漂移，进而带来：
- 工艺窗口变窄： 设定焦点不再等于最优能量沉积位置；
- 焊接不一致： 大面积路径中，样品厚度或平整度的微小变化会造成局部质量波动；
- 焊接深度偏移： 实际连接层偏离预设深度。
提升焊接性能：时空整形#
核心思想是：在时间和空间两个维度，精细调控激光能量输运。
时间整形：脉冲簇模式
传统 MHz 高重频能实现热积累，也可能导致等离子体过热、热应力过大和裂纹等热失控。
**脉冲簇（Burst Mode）**并非连续 MHz 脉冲，而是把一串间隔为纳秒级的子脉冲打包成一个簇，簇与簇之间保留微秒级长间隔：
- 高效沉积： 簇内子脉冲间隔短，等离子体持续存在并高效吸收后续能量，迅速达到熔融状态；
- 精确热管理： 簇间长间隔允许多余热量适度扩散，避免温度和热梯度过高，显著降低热应力。
原文示例从 9.4 MHz 连续脉冲优化为 100 kHz／39 子脉冲的脉冲簇。熔深可能减小，但应力显著下降，焊接强度由母材的 22% 提升至 96%。
进一步可整形脉冲簇能量包络，例如把方形包络改为正弦包络，使升温和降温更加平缓，继续抑制热冲击并减少缺陷。
空间整形：贝塞尔光束
高斯光束能量集中于一个焦点；贝塞尔光束则包含中心主瓣和周围同心圆环，中心主瓣可在毫米量级距离内近似不发散，从而获得极长焦深。
- 工艺容差大： 即使表面存在几十到上百微米不平整或装夹倾斜，光束仍能覆盖焊接界面，降低设备和样品制备精度要求；
- 过程稳定： 高斯光束从上向下加热，上方等离子体会屏蔽下方能量；贝塞尔能量从侧面圆锥会聚，对整个焦深区域近似同步加热，减弱等离子体屏蔽，使熔融更均匀、焊缝更规则，并抑制不稳定泪滴结构和空洞；
- 大间隙能力： 整个焦深同时熔化，使上下表面熔体更容易桥接，对非光学接触间隙的容忍度更高。
脉冲簇 + 贝塞尔光束是当前很有代表性的组合：时间整形负责热管理和降低应力，空间整形负责工艺容差与过程稳定。
控制热积累、升降温与残余应力。
延长焦深、抑制屏蔽并提高间隙容差。
更均匀熔融、更少空洞和更宽工艺窗口。
超快激光焊接的应用#
- 航空航天： 连接蓝宝石窗口和金属法兰，要求高强度、高气密性，常结合贝塞尔光束与复杂扫描路径保证密封圈完整；
- 医疗／生物： 无添加剂封装植入式血压传感器等器件，满足生物相容性和气密要求；封装微流控芯片时，微小热影响区又能保护脆弱通道；
- 汽车／消费电子： 将盖板玻璃与金属中框直接焊接，获得更坚固、美观的结构。
以上。
引用#
- Jia, X., Luo, J., Li, K., Wang, C., Li, Z., Wang, M., Jiang, Z., Veiko, V. P., & Duan, J. “Ultrafast Laser Welding of Transparent Materials: From Principles to Applications.” International Journal of Extreme Manufacturing, 7, 032001 (2025). DOI: 10.1088/2631-7990/ada7a7.
原文发布于“激光之研”，2025 年 6 月 17 日 07:25，重庆。查看原文
