飞秒激光在微制造中的应用

2005/12/27/9:49
1.前言

  与其他常用工业加工技术相比,激光加工由于其非接触性、高效率、加工精度高、无工具磨损等优点而成为加工工业的佼佼者。

  激光加工是伴随着激光技术的进步而发展的,上世纪60~70年代,高功率的红外波段YAG激光和CO2激光首先应用到工业领域;80年代准分子激光凭借其短波长的优势在高分子材料和陶瓷等的微细加工方面独占鳌头;进入90年代,随着飞秒(Femtosecond,即10-15秒)钛宝石激光技术日渐成熟,随着时代对加工技术的更高要求,它正在逐步走向实用。

  激光加工常用激光器的波长和脉冲宽度列于表1中,CO2激光和YAG激光是连续和长脉冲激光,主要靠聚焦形成高能量密度,从而在局部产生高温来烧蚀材料,基本上属于热加工范畴,加工精度有限。准分子激光则依靠其短波长(紫外)与材料进行光化学相互作用,其特征尺度可达到微米量级,但准分子激光器所需的气体是腐蚀性的,难以操控,而且,高强紫外激光对加工系统的光学元件容易造成损伤,其应用因而受到限制。至于飞秒激光在可见和近红外波段具有和准分子激光相同的特性,成为后者的有竞争力的对手;而且由于其峰值功率密度极高,材料以非线性吸收为主,故此可利用非线性效应开发新的微加工方法。本文旨在介绍飞秒激光微加工的特点,通过分析飞秒激光微加工在不同方面的特性,展示飞秒激光微加工广阔的应用前景。

  2.飞秒激光特性及其与材料相互作用机理

  飞秒激光脉冲宽度极短,聚焦后可在较低的脉冲能量下获得极高的峰值功率密度(1020W/cm2以上),焦点处的光电场强度比原子内部库仑电场还要高;由于作用时间极短,能量还没来得及扩散,材料已经被加热到极高的温度,直接以气相蒸发,这样在材料内形成很大的温度梯度,并且,材料以气相蒸发带走大部分热量,热扩散对焦点周围影响很小,这样就克服了困扰长脉冲激光加工过程中热扩散带来的材料变形和熔化现象,可实现高精密加工。与长脉冲激光相比,飞秒激光的烧蚀阈值低而且阈值能量偏差很小,因此,将激光的能量控制在正好等于或略高于烧蚀阈值(激光的强度在横截面内的分布是钟形的),则只有高于烧蚀阈值的部分产生烧蚀,由是得以进行低于衍射极限的亚微米加工。另外,由于透明材料为脆性材料,长脉冲激光产生的热应力会使之炸裂,因而无法进行加工,但超短脉冲激光产生的热影响很小,可进行精加工。

  3 飞秒激光微制造

  (1)金属材料微加工

  如上所述,长脉冲激光烧蚀阈值高且存在很强的热扩散,在激光辐照区及周围的大范围内发生熔化和飞溅现象,使得加工区边缘不清晰,为再凝固材料所包围,故加工精度低;超短脉冲激光能量集中且热影响区非常小,没有熔化及再凝固痕迹,呈现锐利的加工边缘,加工精度高;倍增器电极是光电倍增管的关键部件,如何减小其结构尺寸提高电极栅网的高传输率是加工关键,任何缺陷都会引起电场的扰动,从而严重影响光电倍增管的性能。

  (2)薄膜材料的加工

  光掩模是微(光)电子制备工业的支柱,成本极高。光掩模是由光刻工艺制备的,但由于结构极其复杂,且为多步工艺,经常存在缺陷需要修改。现在修改光掩模的方法有:长脉冲激光、聚焦离子束和飞秒激光。聚焦离子束加工有两个致命弱点,即引起镓着色和石英基底的侵蚀,这大大降低了基底的透射率,也就是大大影响基底的光学性能;长脉冲激光加工的热影响区大,在去除缺陷的同时材料熔化溅射形成残渣并且对基底有烧蚀,严重影响基底的光学性能;而飞秒激光加工过程中缺陷部分材料以气体形式去除,几乎不影响周围区域和衬底层的光学性能,可对光掩模上纳米级尺寸缺陷进行修复。

  (3)透明材料加工

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