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学术论文

超快激光改进微加工技术

Johnny Lee 来源:《激光制造商情》2015-07-25 我要评论(0 )   

超快激光器拥有因其无热烧蚀性能和极高的峰值功率,为新的微细加工应用提供了途径。许多材料和应用对热效应非常敏感,采用连续或长脉冲激光可能会带来的问题包括热熔化、...

 作者:Tim Gerke Fianium公司激光应用工程师  
 翻译:《激光制造商情》Johnny Lee

超快激光器拥有因其无热烧蚀性能和极高的峰值功率,为新的微细加工应用提供了途径。许多材料和应用对热效应非常敏感,采用连续或长脉冲激光可能会带来的问题包括热熔化、剥落、切屑、飞溅物和基材的损坏。然而,有了皮秒和飞秒激光器,这些不必要的副作用可以减轻或完全消除。除了减少热效应,利用超短脉冲宽度可以提高加工的效率,甚至使新的应用成为可能–如内部打标或块状透明材料的划片,这些对于连续波或长脉宽的激光器是不可能实现的。

这些好处可以通过2至400ps脉冲宽度与脉冲能量高达125μJ的高功率光纤激光器得到体现。在此讨论中采用的激光器是被安装在美国俄勒冈州波特兰一个应用实验室,基于二维扫描振镜加工系统,以及在一个创建非常小的激光光斑尺寸的固定焦点站。两个加工系统都是计算机控制,并和激光系统同步,控制与实现任意模式加工。

本文通过特别有代表性的举例,探讨了超快激光在微加工应用相较于长脉冲激光的优点。

无热,高质量的加工

许多微加工应用可以用纳秒激光器实现,但在质量上有重大缺陷。这种激光器从根本上会给材料赋予更多的热量,导致熔化、开裂、表面成分的变化和其他有害 的副作用。然而,有了超快激光加工,可以在任何材料和任何应用实现真正的无热加工。高能量皮秒激光器的一个特别好的应用就是薄膜加工。在这应用空间里,脉冲能量适中的激光器已被证明在材料去除上实现高速度、高质量,而纳秒激光器往往很难达到同等质量,而且易于产生各种缺陷。由于长纳秒脉冲导致的薄膜部分加热会引起一系列的有害副作用,包括边缘凸起、熔化、切屑,基材开裂或损坏。

1显示了纳秒激光器用于薄膜加工中产生的一个缺陷。在图中,一块在厚厚的玻璃基板上的钼薄膜被单脉冲激光在背面(上层)进行几何形状刻划,脉冲通过玻璃基板聚焦在薄膜后。薄膜随即在一个“提取”处理中被移除,在10 ns的情况(图1C),少量材料在边缘剥落,从薄膜表面垂直突出,在划线左边缘的正下方就可以看到这样的例子。对于导电材料,这种缺陷对于设备功能往往是灾难性的。

Micro_Thin01
图1:玻璃上的金属薄膜的划线:(a) 415-ps, (b) 46-ps, (c) 10-ns and (d) 100-ns pulses

       对于100 ns的情况(图1D),很多材料已经以飞溅的形式沉积到表面,从而分流了划线,使其电隔离的应用无效。除了加工薄膜产生的切屑和熔化的缺陷,相对较高的激光能量还导致玻璃基板产生微裂纹,是基板的结构完整性应用值得关注的一个障碍。总的来说,采用纳秒激光系统加工这种金属薄膜会带来重大的问题。
       在相同的材料,我们还研究了皮秒脉冲宽度的结果,使用Fianium从4至415 ps的激光系统,结果显示皮秒激光质量远远优于纳秒激光。没有观察到基材的改性,无薄膜碎屑、开裂或明显熔融。加工碎片也观察不到。图1a和 1b分别显示415ps和46 ps脉冲宽度的结果。结果显示了典型的高品质、完全隔离薄膜材料刻划。这样的效果,采用功率相对较低(<2 W)的激光器可以达到甚至远远超过1米/秒,而采用高功率激光器系统(如Fianium Hyaluronidase 8-25 W),则超过10米/秒。
Micro_Surface02
图2:脉冲宽度与表面侧壁凸起/深度比的关系

       然而,超快激光解决方案的改进不仅限于薄膜应用。涉及到块状材料的微加工应用,如金属和半导体,也可以受益于超快激光源。对于短脉冲(<20 PS),许多材料可以实现无热加工,没有熔化。在皮秒阶段的长脉冲激光器,热效应会变得明显一些。图2表明,即使在亚纳秒脉冲阶段,激光表面处理的块状金属也会发生熔化和产生边缘凸起。当同样的加工是以较短的4ps脉冲进行时,却没有观察到更多的凸起,材料去除率很高并形成更深的凹陷。
       在图2的底部的图演示了在侧壁的凸起材料体积的趋势,相对于材料去除量。在4 ps,没有侧壁,比率是零。随着脉冲宽度的增加到415 ps,比值增大到接近1,去除的材料的体积约等于侧壁的体积量。在这个值上,沟槽中的物质实际上并没有从基材中去除;相反,它只是被推到一边。 
 
效率的提高
       除了避免热相关的缺陷,超短脉冲宽度还可以提高加工效率。纳秒激光器以及长脉冲激光器的较长的相互作用时间,导致了更多的能量浪费,因为热量导致熔化,同时也会在加工改性的区域迅速扩散。另一方面,超短脉冲有着很短的相互作用时间,几乎所有的能量都直接通过激光脉冲垂直作用于材料上,实现瞬间激光烧蚀,并有着很高的加工效率。
Micro_Film03
图3:薄膜移除的阀值vs.脉冲宽度。移除阀值在皮秒阶段很趋平,而在纳秒阶段快速上升。

阅读全文,点击链接:http://www.laserfair.com/ebook/201506/pdf/f4.pdf

作者介绍:
Tim Gerke is laser applications engineer at Fianium Inc. in Lake Oswego, Ore.; email: tim.gerke@fianium.com.

       译者介绍:Johnny Lee,李国忠,《激光制造商情》编辑

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