激光微加工

人們很早就嘗試?yán)眉す膺M(jìn)行微加工。但是由于激光的長脈沖寬度和低激光強(qiáng)度造成材料熔化并持續(xù)蒸發(fā)，雖然激光束可以被聚焦成很小的光斑，但是對材料的熱沖擊依然很大，限制了加工的精度。唯有減少熱影響才能提高加工質(zhì)量。當(dāng)激光以皮秒量級的脈沖時(shí)間作用到材料上時(shí)，加工效果會發(fā)生顯著變化。隨著脈沖能量急劇上升，高功率密度足以剝離外層電子。由于激光與材料相互作用的時(shí)間很短，離子在將能量傳遞到周圍材料之前就已經(jīng)從材料表面被燒蝕掉了，不會給周圍的材料帶來熱影響，因此也被稱為“冷加工”。憑借冷加工帶來的優(yōu)勢，短與超短脈沖激光器進(jìn)入到工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用當(dāng)中。

圖1 超短脈沖冷加工在火柴頭上進(jìn)行燒蝕工藝

超快有多快？

短脈沖激光器產(chǎn)生的脈沖寬度定義在皮秒和飛秒量級。1 皮秒等于 10-12 秒，1 飛秒等于 10-15 秒。也許比較抽象，但是我們可以轉(zhuǎn)化成距離的形式來比較。舉個(gè)例子，光的速度是 3x10-8 米每秒，光從地球到月球所需要的時(shí)間大約是 1.3 秒， 而1皮秒的時(shí)間里光運(yùn)動(dòng)的距離是 0.3 毫米！

超快可以做什么？

短脈沖激光技術(shù)的迅速發(fā)展使得其在工業(yè)范圍的應(yīng)用非常廣泛，幾乎每天都會發(fā)現(xiàn)新的應(yīng)用。目前短脈沖主要集中在下面幾個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。

圖2 激光細(xì)微加工的分類

1鉆孔

電路板設(shè)計(jì)中人們開始用陶瓷基底代替常規(guī)的塑料基底以實(shí)現(xiàn)更好的導(dǎo)熱效果。為了連接電子元件，一般需要在板上鉆高達(dá)數(shù)十萬個(gè)直徑 40100 μm 的小孔。因此保證基底的穩(wěn)定性不會受到鉆孔過程時(shí)熱輸入的影響就變得十分重要，皮秒激光正是這個(gè)應(yīng)用的理想工具。皮秒激光能以沖擊鉆探的方式完成孔的加工，并保證孔的均勻性。除了電路板，皮秒激光還可以對塑料薄膜、半導(dǎo)體、金屬膜和藍(lán)寶石等材料進(jìn)行高質(zhì)量鉆孔。

2劃線，切割

通過掃描的方式疊加激光脈沖可以形成線。通常要通過大量的掃描可以深入到陶瓷內(nèi)部，直到線的深度達(dá)到材料厚度的 1/6。然后沿著這些刻線從陶瓷基底上分離單個(gè)模塊。這種分離方法叫做劃線。另一種分離方法是使用超短脈沖激光燒蝕切割，也稱為消融切割。激光對材料進(jìn)行燒蝕，去除材料直到它被切透。這個(gè)技術(shù)的好處是加工的孔的形狀和尺寸具有較大的靈活性。所有的工藝步驟可以通過一臺皮秒激光器完成。

圖3 透明材料上零切縫切割

3線燒蝕（去除鍍層）

另外一種經(jīng)常被視作微加工的應(yīng)用是在不損害或輕微損害基底材料的情況下精確去除涂層。燒蝕既可以是幾微米寬的線，也可以是幾平方厘米的大面積去除。由于涂層的厚度通常遠(yuǎn)小于燒蝕的寬度，以至于熱量不能在側(cè)面?zhèn)鲗?dǎo)。因此可以使用納秒級脈沖寬度的激光。高平均功率激光、方形或矩形傳導(dǎo)光纖、平頂光強(qiáng)分布，這幾項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合使得激光面燒蝕得以在工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。例如：使用通快公司的 TruMicro 7060 激光器去除薄膜太陽電池玻璃上的涂層。同樣的激光器也可以應(yīng)用在汽車工業(yè)中對抗腐蝕涂層進(jìn)行去除，為后續(xù)焊接做準(zhǔn)備。

圖4 去除抗腐蝕涂層

4表面結(jié)構(gòu)化

結(jié)構(gòu)化可以改變材料表面的物理特性。根據(jù)荷花效應(yīng)，疏水性表面結(jié)構(gòu)讓水從表面流掉。用超短脈沖激光器在表面創(chuàng)造亞微米結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)特性，并可以通過改變激光參數(shù)對所要?jiǎng)?chuàng)造的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確控制。相反的效果，例如親水性表面，同樣可以實(shí)現(xiàn)，而且微加工還可以創(chuàng)造更大尺寸的結(jié)構(gòu)。這些工藝可以用于發(fā)動(dòng)機(jī)中的油箱來制造一些降低磨損的微結(jié)構(gòu)，或者在金屬表面結(jié)構(gòu)化實(shí)現(xiàn)與塑料的焊接。

圖5 短脈沖進(jìn)行表面結(jié)構(gòu)化

5雕刻成型

雕刻成型是通過燒蝕材料創(chuàng)造三維形狀。盡管燒蝕的尺寸可能會超過傳統(tǒng)意義上所說的微加工的范疇，但是它所需的精度還是使它被劃分到這類激光應(yīng)用領(lǐng)域。皮秒激光可以用于加工銑床的多晶金剛石刀具邊緣。激光是加工多晶金剛石的理想工具，多晶金剛石是可以制作銑刀刀刃的極為堅(jiān)硬的材料。使用雕刻成型技術(shù)來加工銑刀的切屑槽和齒，這種情形下激光的好處是非接觸和高加工精度。

總之，微加工具有非常廣闊的應(yīng)用前景，越來越多的生活用品正通過激光微加工進(jìn)入我們的視野。