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學(xué)術(shù)論文

超快激光改進(jìn)微加工技術(shù)

Johnny Lee 來源:《激光制造商情》2015-07-25 我要評(píng)論(0 )   

超快激光器擁有因其無熱燒蝕性能和極高的峰值功率,為新的微細(xì)加工應(yīng)用提供了途徑。許多材料和應(yīng)用對(duì)熱效應(yīng)非常敏感,采用連續(xù)或長脈沖激光可能會(huì)帶來的問題包括熱熔化、...

 作者:Tim Gerke Fianium公司激光應(yīng)用工程師  
 翻譯:《激光制造商情》Johnny Lee

超快激光器擁有因其無熱燒蝕性能和極高的峰值功率,為新的微細(xì)加工應(yīng)用提供了途徑。許多材料和應(yīng)用對(duì)熱效應(yīng)非常敏感,采用連續(xù)或長脈沖激光可能會(huì)帶來的問題包括熱熔化、剝落、切屑、飛濺物和基材的損壞。然而,有了皮秒和飛秒激光器,這些不必要的副作用可以減輕或完全消除。除了減少熱效應(yīng),利用超短脈沖寬度可以提高加工的效率,甚至使新的應(yīng)用成為可能–如內(nèi)部打標(biāo)或塊狀透明材料的劃片,這些對(duì)于連續(xù)波或長脈寬的激光器是不可能實(shí)現(xiàn)的。

這些好處可以通過2至400ps脈沖寬度與脈沖能量高達(dá)125μJ的高功率光纖激光器得到體現(xiàn)。在此討論中采用的激光器是被安裝在美國俄勒岡州波特蘭一個(gè)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室,基于二維掃描振鏡加工系統(tǒng),以及在一個(gè)創(chuàng)建非常小的激光光斑尺寸的固定焦點(diǎn)站。兩個(gè)加工系統(tǒng)都是計(jì)算機(jī)控制,并和激光系統(tǒng)同步,控制與實(shí)現(xiàn)任意模式加工。

本文通過特別有代表性的舉例,探討了超快激光在微加工應(yīng)用相較于長脈沖激光的優(yōu)點(diǎn)。

無熱,高質(zhì)量的加工

許多微加工應(yīng)用可以用納秒激光器實(shí)現(xiàn),但在質(zhì)量上有重大缺陷。這種激光器從根本上會(huì)給材料賦予更多的熱量,導(dǎo)致熔化、開裂、表面成分的變化和其他有害 的副作用。然而,有了超快激光加工,可以在任何材料和任何應(yīng)用實(shí)現(xiàn)真正的無熱加工。高能量皮秒激光器的一個(gè)特別好的應(yīng)用就是薄膜加工。在這應(yīng)用空間里,脈沖能量適中的激光器已被證明在材料去除上實(shí)現(xiàn)高速度、高質(zhì)量,而納秒激光器往往很難達(dá)到同等質(zhì)量,而且易于產(chǎn)生各種缺陷。由于長納秒脈沖導(dǎo)致的薄膜部分加熱會(huì)引起一系列的有害副作用,包括邊緣凸起、熔化、切屑,基材開裂或損壞。

1顯示了納秒激光器用于薄膜加工中產(chǎn)生的一個(gè)缺陷。在圖中,一塊在厚厚的玻璃基板上的鉬薄膜被單脈沖激光在背面(上層)進(jìn)行幾何形狀刻劃,脈沖通過玻璃基板聚焦在薄膜后。薄膜隨即在一個(gè)“提取”處理中被移除,在10 ns的情況(圖1C),少量材料在邊緣剝落,從薄膜表面垂直突出,在劃線左邊緣的正下方就可以看到這樣的例子。對(duì)于導(dǎo)電材料,這種缺陷對(duì)于設(shè)備功能往往是災(zāi)難性的。

Micro_Thin01
圖1:玻璃上的金屬薄膜的劃線:(a) 415-ps, (b) 46-ps, (c) 10-ns and (d) 100-ns pulses

       對(duì)于100 ns的情況(圖1D),很多材料已經(jīng)以飛濺的形式沉積到表面,從而分流了劃線,使其電隔離的應(yīng)用無效。除了加工薄膜產(chǎn)生的切屑和熔化的缺陷,相對(duì)較高的激光能量還導(dǎo)致玻璃基板產(chǎn)生微裂紋,是基板的結(jié)構(gòu)完整性應(yīng)用值得關(guān)注的一個(gè)障礙??偟膩碚f,采用納秒激光系統(tǒng)加工這種金屬薄膜會(huì)帶來重大的問題。
       在相同的材料,我們還研究了皮秒脈沖寬度的結(jié)果,使用Fianium從4至415 ps的激光系統(tǒng),結(jié)果顯示皮秒激光質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于納秒激光。沒有觀察到基材的改性,無薄膜碎屑、開裂或明顯熔融。加工碎片也觀察不到。圖1a和 1b分別顯示415ps和46 ps脈沖寬度的結(jié)果。結(jié)果顯示了典型的高品質(zhì)、完全隔離薄膜材料刻劃。這樣的效果,采用功率相對(duì)較低(<2 W)的激光器可以達(dá)到甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1米/秒,而采用高功率激光器系統(tǒng)(如Fianium Hyaluronidase 8-25 W),則超過10米/秒。
Micro_Surface02
圖2:脈沖寬度與表面?zhèn)缺谕蛊?深度比的關(guān)系

       然而,超快激光解決方案的改進(jìn)不僅限于薄膜應(yīng)用。涉及到塊狀材料的微加工應(yīng)用,如金屬和半導(dǎo)體,也可以受益于超快激光源。對(duì)于短脈沖(<20 PS),許多材料可以實(shí)現(xiàn)無熱加工,沒有熔化。在皮秒階段的長脈沖激光器,熱效應(yīng)會(huì)變得明顯一些。圖2表明,即使在亞納秒脈沖階段,激光表面處理的塊狀金屬也會(huì)發(fā)生熔化和產(chǎn)生邊緣凸起。當(dāng)同樣的加工是以較短的4ps脈沖進(jìn)行時(shí),卻沒有觀察到更多的凸起,材料去除率很高并形成更深的凹陷。
       在圖2的底部的圖演示了在側(cè)壁的凸起材料體積的趨勢(shì),相對(duì)于材料去除量。在4 ps,沒有側(cè)壁,比率是零。隨著脈沖寬度的增加到415 ps,比值增大到接近1,去除的材料的體積約等于側(cè)壁的體積量。在這個(gè)值上,溝槽中的物質(zhì)實(shí)際上并沒有從基材中去除;相反,它只是被推到一邊。 
 
效率的提高
       除了避免熱相關(guān)的缺陷,超短脈沖寬度還可以提高加工效率。納秒激光器以及長脈沖激光器的較長的相互作用時(shí)間,導(dǎo)致了更多的能量浪費(fèi),因?yàn)闊崃繉?dǎo)致熔化,同時(shí)也會(huì)在加工改性的區(qū)域迅速擴(kuò)散。另一方面,超短脈沖有著很短的相互作用時(shí)間,幾乎所有的能量都直接通過激光脈沖垂直作用于材料上,實(shí)現(xiàn)瞬間激光燒蝕,并有著很高的加工效率。
Micro_Film03
圖3:薄膜移除的閥值vs.脈沖寬度。移除閥值在皮秒階段很趨平,而在納秒階段快速上升。

閱讀全文,點(diǎn)擊鏈接:http://ihghtimes.com/ebook/201506/pdf/f4.pdf

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

       譯者介紹:Johnny Lee,李國忠,《激光制造商情》編輯

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超快激光器微細(xì)加工脈沖激光能量飛秒激光
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