飞秒激光在材料微加工中

飞秒激光在材料微加工中的应用地球与空间科学学院1100012448侯竣泷飞秒激光在材料微加工中的应用引言飞秒激光与物质相互作用飞秒激光微加工的应用引言激光加工技术：自1960年第一台红宝石激光器问世以来,人们就开始进行激光与材料相互作用的研究。经过40多年的发展,为了满足不同的需要,各种激光器应运而生并被广泛应用于工业加工和医疗领域。激光加工可以克服其他加工技术的一些缺点,如需要接触式加工(如传统机械加工)、昂贵的真空设备(X射线、电子束、离子束加工等)、无法加工致密材料(粒子束加工)和非平版样品(平版刻蚀技术）等,在工业加工领域备受青睐。而飞秒激光微加工技术则有望克服传统激光加工技术所面临的各种困难,可以突破光学微加工方法中由于衍射极限给加工精度带来的限制.引言飞秒激光脉冲具有极短的脉冲宽度和极高的峰值功率,与物质相互作用时呈现强烈的非线性效应,它主要依靠多光子吸收机制来加工一些长脉冲激光无法作用的透明材料。飞秒脉冲作用时间极短,热效应小(几乎可以忽略)，因而可以大大提高加工精度。近红外区的飞秒激光又能避免紫外激光对大多数材料不透明的缺点,可以深入透明材料内部实现真正意义上的三维立体微加工。飞秒激光与物质相互作用飞秒激光与金属相互作用飞秒激光与介质相互作用飞秒激光与金属相互作用由于绝大多数金属对可见光不透明,激光处理金属材料时能量首先沉积在穿透深度范围ls=1/α(α为吸收系数)内。在光脉冲作用时间内能量逐渐转移到热扩散深度ld=Dτ(D为热扩散系数,τ为激光脉宽)的范围。对于长脉冲加工,ldls,热扩散效应较明显。超短脉冲可以使ldls,来不及扩散的能量会造成局部升温甚至材料气化。这一过程的热作用区极小,可以实现较高精度的加工。飞秒激光与金属相互作用飞秒激光切割样品（上）：边缘锐利且没有材料熔化和再凝固的痕迹。长脉冲激光切割样品（下）：熔化和再凝固的痕迹十分明显。飞秒激光与金属相互作用ns激光与fs激光加工的对比飞秒激光与介质相互作用与加工金属材料不同,飞秒激光可以聚焦到透明材料内部进行三维加工。在透明介质中传输时,极高的场强会导致诸多非线性效应。聚焦后的飞秒脉冲能够在瞬间将作用区的物质变成等离子体,等离子体进一步吸收激光能量导致局部加热或光损伤。多电子电离雪崩电离飞秒激光与介质相互作用多电子电离：由于透明介质中束缚电子的电离势远大于单个近红外光子的能量,一般情况下不会吸收单个光子而电离。只有在极高的光子简并度下,半导体或介质的价带电子才可以同时吸收多个光子获得高于带隙的能量而发生电离,这一过程叫做多光子电离。飞秒激光与介质相互作用水分子同时吸收4个光子发生的多光子电离过程飞秒激光与介质相互作用雪崩电离:在半导体或介质中总会有极少数的自由电子,通过逆向轫致辐射过程吸收激光的能量,这些自由电子又称为种子电子。当种子电子的动能大于束缚电子的电离势时,如果它与原子碰撞则会发生碰撞电离并产生两个较低动能的自由电子。这一过程的重复发生将导致雪崩电离。飞秒激光与介质相互作用雪崩电离过程示意图飞秒激光微加工的应用金属材料加工薄膜材料加工透明材料加工高分子材料生物组织爆炸性材料加工金属材料加工由于长脉冲激光存在很强的热扩散,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,加工精度低;超短脉冲激光能量集中在趋肤深度范围之内且热影响区非常小,没有熔化及再凝固痕迹,呈现锐利的加工边缘,加工精度高。由飞秒激光加工的精密微孔已成功用于汽油发动机喷嘴。此外,飞秒激光还能对金属基非晶材料进行精密加工,而且周围没有明显的晶化现象。金属材料加工飞秒激光加工的精密微孔及微机械零件薄膜材料加工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。修改光掩模要求:l)不能损伤衬底材料;2)不能影响修改位置周围区域膜层的质量,并且不能有残渣形成;3)不能影响修改位置衬底的透明性;4)修改方法应能去除最小尺度的缺陷。飞秒激光具有最小尺度和最小热影响区,以及不影响周围区域和衬底层的能力,因此,飞秒激光在光掩模修改上有着极大的优势。薄膜材料加工透明材料加工透明材料加工必须避免热扩散引起的加工区域周围的损伤和裂纹,一直是困扰激光加工技术的一个难题。飞秒激光的热影响区小,已经被实验证明可以作为透明材料的精密加工工具.透明材料加工玻璃样品的飞秒激光加工照片可以看到加工边缘清晰,无熔化和飞溅的痕迹。飞秒激光辐照还可引起辐照区域透明材料的折射率变化,这一现象已用于制备光波导和微光栅。高分子材料长脉冲激光加工热扩散效应引起周围材料损伤,材料性能明显下降,而飞秒激光加工热影响区小,周围材料没有损伤,性能也就不会下降。含氟高分子材料具有高的抗化学腐蚀性,在化学微分析方面日益受到重视,但是这类材料用长脉冲激光难以进行高精度的微加工,而用飞秒激光则给出了优良的加工效果。高分子材料飞秒激光加工的微槽生物组织由于飞秒激光作用时间短,而且绝大部分能量被去除的材料带走,因此,飞秒激光烧蚀生物组织可引起最小的间接的机械和热损伤。比如：激光烧蚀牙釉质。长脉冲激光钻孔引起表面开裂并有材料烧蚀的残留物存在,烧蚀产生的间接损伤使得烧蚀孔边缘不清晰,与之相反,飞秒激光烧蚀产生的孔非常清洁,无可见的热损伤。爆炸性材料加工爆炸性材料对震动和热应力特别敏感,容易引起爆炸。爆炸性材料加工真空中激光切削爆炸性材料,脉冲宽度为0.5ns激光切割PETN炸药时,虽然爆炸材料块体保持完好,但切削边缘发生明显的熔化痕迹,若非在真空中切割则极可能发生燃烧以至爆炸;而飞秒激光热影响区小,切削边缘清晰、切口明显变窄且没有熔化现象。飞秒激光在材料微加工中的应用总而言之,飞秒激光在材料微加工领域的独特作用,已越来越多地被人们所认识与关注,已成为科学研究的又一热点,潜在的工业应用前景也已显现出来。可以预见,随着加工技术的日趋成熟,在微电子、微机电系统、生物和医学等领域,飞秒激光将发挥越来越大的作用。参考文献贾威等.飞秒激光在材料微加工中的应用[J].量子电子学报，2004年4月.何飞，程亚.飞秒激光微加工:激光精密加工领域的新前沿[J].中国激光，2007年5月.