本文主要涉及紫外激光加工技術(shù)．通過實驗，將紫外／紅外兩種激光設(shè)備對材料的加工結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在特殊材料加工上，紫外激光相對于紅外激光，加工邊沿更光滑、效率更高．對于用紅外透過率較高的材料加工的紅外器件來說，紫外激光在加工中具有明顯的優(yōu)勢。

     1引言
   
    激光技術(shù)是20世紀(jì)與原子能、半導(dǎo)體及計算機(jī)齊名的四項重大發(fā)明之一．四十多年來，隨著小型電子產(chǎn)品和微電子元器件需求量的日益增長，對于加工材料(尤其是聚合物材料以及高熔點材料)的精密處理日漸成為激光在工業(yè)應(yīng)用中發(fā)展最快的領(lǐng)域之一．
   
    激光加工是激光產(chǎn)業(yè)的重要應(yīng)用，與常規(guī)的機(jī)械加工相比，激光加工更精密、更準(zhǔn)確、更迅速．該技術(shù)利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對包括金屬與非金屬的各種材料進(jìn)行加工，涉及到了焊接、切割、打標(biāo)、打孔，熱處理、成型等多種加工工藝。激光獨一無二的特性使之成為微處理的理想工具，目前廣泛應(yīng)用于微電子、微機(jī)械和微光學(xué)加工三大領(lǐng)域。
   
    激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對材料(包括金屬與非金屬)進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門加工技術(shù)．
   
    激光加工有其獨特的特點：
   
    (1)范圍廣泛：幾乎可以對任何材料進(jìn)行雕刻切割。
    (2)安全可靠：采用非接觸式加工，不會對材料產(chǎn)生機(jī)械擠壓或機(jī)械應(yīng)力．
    (3)精確細(xì)致；加工精度可達(dá)0．01mm．
    (4)效果一致：保證同一批次的加工效果一致．
    (5)高速快捷：可立即根據(jù)電腦輸出的圖樣進(jìn)行高速雕刻和切割，且激光切割的速度比線切割的速度要快很多．
    (6)成本低廉：不受加工數(shù)量的限制，對于小批量加工服務(wù)，激光加工更加便宜。
    (7)切割縫隙?。杭す馇懈畹母羁p一般在0.02mm-0.05mm．
    (8)切割面光滑：激光切割的切割面無毛刺。
    (9)熱變形?。患す饧庸さ募す飧羁p細(xì)、速度快、能量集中，因此傳到被切割材料上的熱量小，引起材料的變形也非常小。
   
    紅外器件技術(shù)中所用的材料(寶石等)、加工條件(精度，變形等)要求采用激光加工。鑒于激光種類很多，我們主要涉及的是紅外激光設(shè)備和紫外激光加工系統(tǒng)。因此希望通過實驗，將紫外／紅外兩種激光系統(tǒng)對同種材料的加工結(jié)果進(jìn)行比較，從而了解它們的特點與區(qū)別，并確定出各自的適用范圍和優(yōu)越性，為今后更好地發(fā)展特殊材料加工作鋪墊。
   
    2實驗設(shè)備介紹
   
    本文采用的實驗設(shè)備是JHM-1GY-300B型YAG激光設(shè)備與PSV-6001型355nm全固態(tài)紫外激光鉆孔機(jī)。
   
    2．1 YAG激光設(shè)備
   
    YAG激光設(shè)備的激光波長為1.06μm，輸出的最大單脈沖激光能量為60J，脈沖頻率為1Hz-100Hz(連續(xù)可調(diào))。它將激光聚焦到一點，焦平面上的功率密度可達(dá)到105-1013W／cm2。該設(shè)備還可以用于激光焊接，激光焊接就是利用激光束優(yōu)良的方向性和高功率密度等特點來進(jìn)行工作的．通過光學(xué)系統(tǒng)將激光束聚集到很小的區(qū)域，在極短的時間內(nèi)，使被焊處形成一個能量高度集中的局部熱源區(qū)，從而使被焊物熔化并形成牢固的焊點和焊縫。圖1為用YAG激光焊接不銹鋼和鈦合金的焊縫實例。

    2．2紫外激光鉆孔機(jī)
   
    PSV-6001型紫外激光鉆孔機(jī)采用的是基于半導(dǎo)體泵浦固態(tài)激光器的高功率三倍頻(DPSS)激光，波長為355nm，平均功率為2.3W，最高頻率可達(dá)100kHz，工件上的光斑直徑可小到20μm以下。該機(jī)應(yīng)用繪圖軟件并進(jìn)行合理的參數(shù)設(shè)置，可執(zhí)行鉆孔、刻線、切割等一系列操作。在已做的各項實驗中，利用該紫外激光鉆孔機(jī)進(jìn)行加工的有機(jī)材料包括聚合物、紙制品等。無機(jī)材料包括金屬、寶石、玻璃、陶瓷等．

    2．3紫外／紅外激光器的比較
   
    紅外YAG激光器(波長為1．06μm)是在材料處理方面用得最為廣泛的激光源。但是，許多塑料和大量用作柔性電路板基體材料的一些特殊聚合物(如聚酰亞胺)，都不能通過紅外處理或"熱"處理進(jìn)行精細(xì)加工。因為"熱"使塑料變形，在切割或鉆孔的邊緣上產(chǎn)生炭化形式的損傷，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性的削弱和寄生傳導(dǎo)性通路，而不得不增加一些后續(xù)處理工序以改善加工質(zhì)量。因此，紅外激光器不適用于某些柔性電路的處理。除此之外，即使在高能量密度下，紅外激光器的波長也不能被銅吸收，這更加苛刻地限制了它的使用范圍。
   
    然而，紫外激光器的輸出波長在0.4μm以下，這是處理聚合物材料的主要優(yōu)點。
   
    與紅外加工不同，紫外微處理從本質(zhì)上來說不是熱處理，而且大多數(shù)材料吸收紫外光比吸收紅外光更容易。高能量的紫外光子直接破壞許多非金屬材料表面的分子鍵，用這種"冷"光蝕處理技術(shù)加工出來的部件具有光滑的邊緣和最低限度的炭化。而且，紫外短波長本身的特性對金屬和聚合物的機(jī)械微處理具有優(yōu)越性．它可以被聚焦到亞微米數(shù)量級的點上，因此可以進(jìn)行細(xì)微部件的加工，即使在不高的脈沖能量水平下，也能得到很高的能量密度，有效地進(jìn)行材料加工．
   
    微細(xì)孔在工業(yè)界中的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，主要形成的方式有兩種：
   
    一是使用紅外激光：將材料表面的物質(zhì)加熱并使其汽化(蒸發(fā))，以除去材料，這種方式通常被稱為熱加工．主要采用YAG激光(波長為1.06μm)。
   
    二是使用紫外激光：高能量的紫外光子直接破壞許多非金屬材料表面的分子鍵，使分子脫離物體，這種方式不會產(chǎn)生高的熱量，故被稱為冷加工，主要采用紫外激光(波長為355nm)．
   
    表1是這兩種加工方式的比較。

    3實驗結(jié)果與討論
   
    3．1鉆孔實驗
   
    圖2為采用JHM-1GY-300B型YAG激光設(shè)備與PSV-6001型355nm紫外激光鉆孔機(jī)分別在厚度同樣為lmm的陶瓷片上打出的咖2小孔。
   
    結(jié)果表明，用紅外激光打的小孔圓度較差，且邊緣被"燒"黑．而用紫外激光加工的陶瓷片，小孔圓度較好且邊緣光滑。從實驗結(jié)果以及表1中的數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，紫外激光較紅外激光在加工速度、鉆孔精度上不止高出幾個等級，而且質(zhì)量效果也有明顯的優(yōu)勢．#p#分頁標(biāo)題#e#

    3．2切割實驗
   
    激光切割是利用聚焦的高功率激光照射加工材料表面，當(dāng)激光超過閾值功率密度后，引起照射點材料溫度急劇上升，溫度達(dá)到沸點后，材料產(chǎn)生氣化并形成孔洞，隨著激光束與工件的相對移動，最終在材料表面形成切縫。切割質(zhì)量(包括切縫寬度、邊緣的直線度、光潔度)由激光功率、激光束模式、輔助氣體壓強(qiáng)和切割速度決定。切割所需的激光功率直接正比于材料的厚度，對于黑色金屬更是一條典型的直線。最大切割厚度為功率、會聚透鏡焦距、激光波長、切割速度的函數(shù)。焦距及收斂角是切割質(zhì)量、厚度、速度的重要參數(shù)。

    在理論上，切割厚度由激光高斯光束的瑞利區(qū)域所決定，瑞利區(qū)在工業(yè)界稱作焦深(DOF)，其物理表達(dá)式為

    式中，λ為波長，f和D分別為會聚透鏡的焦距和直徑，焦深給出的是切割厚度的上限。圖3為用紫外激光鉆孔機(jī)在0.1mm厚的高熔點金屬鉬片上進(jìn)行切割的SEM照片，從SEM圖片可以看出，由于高熔點金屬對紫外光的較高吸收，其切割邊緣平整。
   
    激光切割具有切縫窄、熱影響區(qū)小、效率高、切邊無機(jī)械應(yīng)力、可適合多種不同薄膜材料的加工等優(yōu)點，而且對孔徑以及特征尺寸的限制?。?br />    
    圖4為紫外激光劃片與機(jī)械劃片的對比情況，被切割濾光片介質(zhì)膜的成分主要為硫化鋅、錫化鋅等。紫外激光鉆孔機(jī)的加工頻率為100kHz，切割速度為10mm／s．

    從圖4中可以看出，用紫外激光劃的濾光片邊緣光滑，損傷?。脵C(jī)械劃片機(jī)則容易產(chǎn)生"崩邊"，切割產(chǎn)生的應(yīng)力容易使介質(zhì)膜脫落，損壞濾光片。我們知道，紅外激光切割是將材料表面的物質(zhì)加熱汽化，而濾光片介質(zhì)膜在溫度超過130℃時很容易氧化變質(zhì)．因而用紅外激光無法形成濾光片的劃片工藝。目前，用紫外激光切割的濾光片已經(jīng)用于某種型號的紅外器件。用高功率紫外激光切割一些金屬，如銅薄膜、鉬片等，具有切縫窄、熱影響區(qū)小、切割效率高等優(yōu)勢，適合于多種不同高精度微細(xì)薄膜器件的研制。對高功率紫外激光切割技術(shù)的研究大大地促進(jìn)了激光作為萬能加工工具的應(yīng)用與發(fā)展。

    3．3實驗比較
   
    (1)銅具有良好的導(dǎo)熱(熱擴(kuò)散率為1．19cm2／s，熱傳導(dǎo)系數(shù)為4．01W／cm℃)、導(dǎo)電(導(dǎo)電率為6×103s／m)及延展性能，而且在空氣中比較穩(wěn)定[引．因此，這些優(yōu)異的性能使得銅薄膜材料目前在薄膜器件生產(chǎn)制造中得以廣泛應(yīng)用。然而，銅在激光材料加工中屬于難加工材料，這是因為銅的熱反射率高，對激光的吸收率很低。因此即使在高能量密度下，使用普通的C02激光及Nd：YAG激光也很難對銅進(jìn)行微細(xì)切割加工。

    但是銅對波長為355nm的三倍頻固體紫外激光卻具有較高的吸收率，而且由于紫外激光的波長短，其聚焦點可小到亞微米數(shù)量級，因此采用紫外激光對銅薄膜進(jìn)行切割加工，將是研制這種高精度微細(xì)薄膜器件的有效方法．利用紫外激光鉆孔機(jī)在厚度為0.05mm的銅片上鉆小孔，目標(biāo)是小孔孔徑小、圓度和邊緣質(zhì)量高．
   
    經(jīng)過反復(fù)實驗，紫外激光鉆孔機(jī)的加工頻率為25KHz，切割速度為0.3mm／s．圖5是利用紫外激光鉆孔機(jī)加工出來的咖為10μm的小孔．
   
    (2)在0.1mm厚生陶瓷上的加工實驗在郭棟等的《氧化鋁陶瓷基板過孔的新型激光打孔工藝》中，筆者選用了常見的氧化鋁陶瓷作為研究對象，激光器為Nd：YAG撒光器。圖6是其加工出來的孔。

    圖6中，當(dāng)打孔進(jìn)行到激光脈沖尾緣后，由于光強(qiáng)和蒸汽壓銳減及光束的發(fā)散等，熔化而未來得及被攜帶走的液相會重新凝聚在孔壁和孔入口處形成重鑄層和堆積物，陶瓷體直接加工時孔的周圍會形成大量不規(guī)則堆積物。而圖7中幾乎沒有堆積物，其表面也更干凈和平滑。
   
    4結(jié)論
   
    通過幾種實驗對比發(fā)現(xiàn)：
   
    (1)與常規(guī)機(jī)械加工相比，激光加工更精密、更準(zhǔn)確和更迅速．
   
    (2)通過鉆孔實驗可以看出：紫外激光較紅外激光在加工速度、鉆孔精度及質(zhì)量效果上有較為明顯的優(yōu)勢．因此在某些孔徑精度高、孔的表面質(zhì)量要求高、加工材料熔點高的場合則可以用紫外激光來替代紅外激光．
   
    (3)從切割實驗中不難發(fā)現(xiàn)：用紫外激光切割一些金屬，如銅薄膜、鉬片等，具有切縫窄、熱影響區(qū)小、切割效率高等優(yōu)勢，適合于多種不同高精度微細(xì)薄膜器件的研制。雖然固態(tài)半導(dǎo)體泵紫外激光具有許多優(yōu)勢，但如何通過加工參數(shù)的優(yōu)化和調(diào)整，更好地利用固態(tài)半導(dǎo)體泵紫外激光進(jìn)行精密加工，是現(xiàn)階段需進(jìn)一步探索的問題．