高质量工業型微细加工之皮秒雷射

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正如持续波 (CW) 和准持续波 (quasi-CW) 雷射發生质料世界的首要变化同样，皮秒雷射也筹备扭转微细加工的世界。皮秒雷射被引進利用于微细加工，就犹如30年前的各类毫秒级與厥後的奈秒级已证明脉冲雷射供给新的微细加工的能力。今朝，有關晶圆钻孔、金属切割、陶瓷划線與汽車零件、信誉卡與护照等打标所利用的激光脉冲介于毫秒與奈秒時候區域。微细加工利用范畴方面，雷射较機器东西有着杰出的機能，其缘由是因為雷射具备弹性、靠得住度、反复性、易步伐化等长处，并且對加工物也没有機器强迫力或污染的错误谬误。

皮秒雷射還没有导入以前，加工機制是對靶材施以很是快速局部加热、熔化和汽化為道理根本，比方毛边 (burrs)、再结晶 (re-crystallization) 及微裂缝 (mcro-cracks)等，會没法防止發生热端效應 (thermal side effects)，致使產物寿命後期才會呈現的紧张後果，如圖1二者比力。因為皮秒時候长度可以至關于物資電子 - 光子败坏時候，雷射與质料之間的反响不但是热能互换，而大部分因此原子互换，亦即快速的份子間键结崩离的方法举行，再加之简略的可调倍频转换使其等闲的發生紫外光，使得所谓的「冷」加工的抱负得以实現。

圖1. 奈秒與皮秒脉冲的钻孔成果比力

近来，雷射矯正手術,因超快雷射变得轻易得到了，以是有更多的工業用处，一般所存眷的是追求符合能量的皮秒脉冲，它可以很快地实現若何防止热方面為主的影响而告竣加工质量的新水凖，如圖二、圖3。超短脉冲雷射已成為革命性的微制程东西，在近来数年提供應出產工程师而成為有值价的產物。此中，德國公司雷射源制造一向是成长工業级皮秒雷射体系的前锋，而且从一起头這項技能就已成為市场领先者。当超短激光脉冲微加工時，质料是没有任何接触概况而能去除质料，是以概况没有發生牙痛消炎藥,應变；没有耗费加工东西；没有透過加工工件而污染工件的伤害。最首要的是，超短脉冲可改良加工與任何热的影响，如再结晶、毛边和微裂缝等，其缘由是因為超短的激光脉冲能缓解热分散之故。

圖 2.  20 μm厚度银片内15 μm 宽的狭缝

圖3.  操纵ps-Laser 1064 nm在玻璃内250 μm宽的微通道加工，具备跨越 50 妹妹3/min的去除速度。

皮秒脉冲對质料长短選择性的，以是可以或许成為通用型的加工东西，這究竟也许是个重大意义，缘由是操纵皮秒脉冲举行微加工時其实不是依靠吸取進程，而是由构成概况電浆云團 (plasma clou防水防油貼,d) 所組成的。皮秒脉冲大電场剥离原子的低质量電子，經库伦爆炸 (coulomb explosion) 後正電荷原子离开。可能有人會争辩的是，在皮秒范畴内甚致更短的激光脉冲應可進一步加强微加工质量。虽然如斯，飞秒雷射 (femtosecond laser治療椎間盤突出,s) 较着地更繁杂又轻易失效，和在代价方面超過跨過很多却仅通报较低的均匀功率。皮秒脉冲足以触發電场發生的進程，而且独一在繁杂体系中告竣短脉冲。飞秒脉冲的高峯值功率必要更谨慎的通报光束且易發生不想要的非線性效應。

在皮秒范畴的激光脉冲可以击發出杰出的光斑：皮秒脉冲可以或许被制造成為一个靠得住的、工業级的封装、保持优胜的光束质量及通报准确的脉冲能量品级。操纵跨越50W的均匀功率，可以到达兆赫 (MHz) 品级的反复频率 (repetition rates)，有益于財產范围的出產量，如圖4。假如能量密度略微高于剥除门槛 (ablation threshold)，约莫是 1 J/cm2，任何质料會現实显示出约10 ~ 100 nm 的剥除厚度质料层，该剥除门槛仅會跟着质料种类轻细变革 (0.1-2 J/cm2)；几近與波长、脉冲长度和其前提无關。大部分微细加工利用是專注于概况布局的刻痕，换言之，為了挖出沟槽、轮廓切割、钻孔、质料层袒露或區域断绝，将质料举行「冷」微细去除。

圖 4.  去除Si 基SiN 层 70 nm厚度 ； 到达至1 million spots/sec，直径 50 μm； 超快