飛秒激光在材料微加工中

飛秒激光在材料微加工中的應(yīng)用地球與空間科學(xué)學(xué)院1100012448 侯竣瀧飛秒激光在材料微加工中的應(yīng)用引言飛秒激光與物質(zhì)相互作用飛秒激光微加工的應(yīng)用引言激光加工技術(shù)：自1960年第一臺(tái)紅寶石激光器問世以來,人們就開始進(jìn)行激光與材料相互作用的研究。經(jīng)過40多年的發(fā)展,為了滿足不同的需要,各種激光器應(yīng)運(yùn)而生并被廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工和醫(yī)療領(lǐng)域。激光加工可以克服其他加工技術(shù)的一些缺點(diǎn),如需要接觸式加工(如傳統(tǒng)機(jī)械加工)、昂貴的真空設(shè)備(X射線、電子束、離子束加工等)、無法加工致密材料(粒子束加工)和非平版樣品(平版刻蝕技術(shù)）等,在工業(yè)加工領(lǐng)域備受青睞。而飛秒激光微加工技術(shù)則有望克服傳統(tǒng)激光加工技術(shù)所面臨的各種困難,可以突破光學(xué)微加工方法中由于衍射極限給加工精度帶來的限制.引言飛秒激光脈沖具有極短的脈沖寬度和極高的峰值功率,與物質(zhì)相互作用時(shí)呈現(xiàn)強(qiáng)烈的非線性效應(yīng),它主要依靠多光子吸收機(jī)制來加工一些長脈沖激光無法作用的透明材料。飛秒脈沖作用時(shí)間極短,熱效應(yīng)小(幾乎可以忽略)，因而可以大大提高加工精度。近紅外區(qū)的飛秒激光又能避免紫外激光對(duì)大多數(shù)材料不透明的缺點(diǎn),可以深入透明材料內(nèi)部實(shí)現(xiàn)真正意義上的三維立體微加工。飛秒激光與物質(zhì)相互作用飛秒激光與金屬相互作用飛秒激光與介質(zhì)相互作用飛秒激光與金屬相互作用由于絕大多數(shù)金屬對(duì)可見光不透明,激光處理金屬材料時(shí)能量首先沉積在穿透深度范圍ls=1/α(α為吸收系數(shù))內(nèi)。在光脈沖作用時(shí)間內(nèi)能量逐漸轉(zhuǎn)移到熱擴(kuò)散深度ld=Dτ(D為熱擴(kuò)散系數(shù),τ為激光脈寬)的范圍。對(duì)于長脈沖加工,ld>ls,熱擴(kuò)散效應(yīng)較明顯。超短脈沖可以使ld<ls,來不及擴(kuò)散的能量會(huì)造成局部升溫甚至材料氣化。這一過程的熱作用區(qū)極小,可以實(shí)現(xiàn)較高精度的加工。飛秒激光與金屬相互作用飛秒激光切割樣品（上）：邊緣銳利且沒有材料熔化和再凝固的痕跡。長脈沖激光切割樣品（下）：熔化和再凝固的痕跡十分明顯。飛秒激光與金屬相互作用ns激光與fs激光加工的對(duì)比飛秒激光與介質(zhì)相互作用與加工金屬材料不同,飛秒激光可以聚焦到透明材料內(nèi)部進(jìn)行三維加工。在透明介質(zhì)中傳輸時(shí),極高的場強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致諸多非線性效應(yīng)。聚焦后的飛秒脈沖能夠在瞬間將作用區(qū)的物質(zhì)變成等離子體,等離子體進(jìn)一步吸收激光能量導(dǎo)致局部加熱或光損傷。多電子電離雪崩電離飛秒激光與介質(zhì)相互作用多電子電離：由于透明介質(zhì)中束縛電子的電離勢(shì)遠(yuǎn)大于單個(gè)近紅外光子的能量,一般情況下不會(huì)吸收單個(gè)光子而電離。只有在極高的光子簡并度下,半導(dǎo)體或介質(zhì)的價(jià)帶電子才可以同時(shí)吸收多個(gè)光子獲得高于帶隙的能量而發(fā)生電離,這一過程叫做多光子電離。飛秒激光與介質(zhì)相互作用水分子同時(shí)吸收4個(gè)光子發(fā)生的多光子電離過程飛秒激光與介質(zhì)相互作用雪崩電離:在半導(dǎo)體或介質(zhì)中總會(huì)有極少數(shù)的自由電子,通過逆向軔致輻射過程吸收激光的能量,這些自由電子又稱為種子電子。當(dāng)種子電子的動(dòng)能大于束縛電子的電離勢(shì)時(shí),如果它與原子碰撞則會(huì)發(fā)生碰撞電離并產(chǎn)生兩個(gè)較低動(dòng)能的自由電子。這一過程的重復(fù)發(fā)生將導(dǎo)致雪崩電離。飛秒激光與介質(zhì)相互作用雪崩電離過程示意圖飛秒激光微加工的應(yīng)用

金屬材料加工薄膜材料加工透明材料加工高分子材料生物組織爆炸性材料加工金屬材料加工由于長脈沖激光存在很強(qiáng)的熱擴(kuò)散,在激光輻照區(qū)及周圍的大范圍內(nèi)發(fā)生熔化和飛濺現(xiàn)象,使得加工區(qū)邊緣不清晰,為再凝固材料所包圍,加工精度低;超短脈沖激光能量集中在趨膚深度范圍之內(nèi)且熱影響區(qū)非常小,沒有熔化及再凝固痕跡,呈現(xiàn)銳利的加工邊緣,加工精度高。由飛秒激光加工的精密微孔已成功用于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴。此外,飛秒激光還能對(duì)金屬基非晶材料進(jìn)行精密加工,而且周圍沒有明顯的晶化現(xiàn)象。金屬材料加工飛秒激光加工的精密微孔及微機(jī)械零件薄膜材料加工光掩模是微(光)電子制備工業(yè)的支柱,成本極高。光掩模是由光刻工藝制備的,但由于結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜,且為多步工藝,經(jīng)常存在缺陷需要修改。修改光掩模要求:l)不能損傷襯底材料;2)不能影響修改位置周圍區(qū)域膜層的質(zhì)量,并且不能有殘?jiān)纬?3)不能影響修改位置襯底的透明性;4)修改方法應(yīng)能去除最小尺度的缺陷。飛秒激光具有最小尺度和最小熱影響區(qū),以及不影響周圍區(qū)域和襯底層的能力,因此,飛秒激光在光掩模修改上有著極大的優(yōu)勢(shì)。薄膜材料加工透明材料加工透明材料加工必須避免熱擴(kuò)散引起的加工區(qū)域周圍的損傷和裂紋,一直是困擾激光加工技術(shù)的一個(gè)難題。飛秒激光的熱影響區(qū)小,已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)證明