第三章先进制造工艺技术(激光加工)课件

光在腔内的损耗包括：光在反射镜上由于透射、 吸收和散射产生的损耗，光由于放大介质的有限 孔径、放大介质的不均匀性而造成的衍射、散射 损耗；放大介质的吸收损耗等。
要使光能够在腔内来回振荡形成激光．必须要求 光在谐振腔内单程得到的放大比单程的损耗要大、 这就是激光能够振荡的条件。
红宝石激光的示意图
固体激光器
激光器的工作方式
(1)连续激光 (2)脉冲激光 (3)巨脉冲激光 (4)超短脉冲激光
激光的特点
(1)良好的单色性 (2)良好的方向性 (3)高亮度 (4)极好的相干性
激光加工方法
打孔； 切割； 微调； 表面改性； 存储等。
激光加工机理
利用热效应加工。 影响加工有的参数：
激光的基本概念
电子围绕原子核旋转时，只能处于某些特 定的轨道上，即原子只能具有某些特定的 内能。原子的内能不能连续改变。一般把 原子中分裂成一挡一挡的能量称为原子的 能级，电子处于不同的核外轨道上．就对 应了不同能级。原子处于的最低能级称为 基态．即电子离核最近位置．而其余能级 称为激发态或高能态。
外来光子的带动是导致原子从高能级向低能级跃 迂的又一原因．称为受激辐射跃迁。
激光产生过程及特性
自发吸收 - 电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶 自发辐射 - 电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶 受激辐射 - 光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并释放光子。 由受激辐射跃迁产生的光子跟外来的光子有着相同的特征：频率相同：相位相同，
离子束加工的应用范围
离 子 束 加 工
2.10.4 复合加工
2.10.4.1 电解磨削 2.10.4.2 超声电解复合抛光 2.10.4.3 超声电火花复合抛光
偏振方向相同；传播方向相同。而自发辐射的光子则没有这些特征。 在原子中还存在着受激吸收过程。同样．如果入射到原于上的光子频率满足＝E2一
E1的条件，则处于低能级E1的原子有可能吸收这个光子的能量，被激发到较高能级 上去。这时，不但得不到两个光子，反而消失了一个光子．这就是受激吸收过程。
粒子数反转的状态
激光的起源
美国休斯实验室量子电子学部的负责人梅曼于 1960年7月，从红宝石激光器实验装置中射出一 束红光，这标志着世界上第一台激光器的诞生。 在这台红宝石激光器发明后约半年，美国IBM公 司的年轻的科学家索洛金和史蒂文森研制了世界 上第二台、第三台激光器：但是这两台激光器未 能获得实用，远不及1960年12月研制的世界上第 四台激光器，即由美国贝尔实验室贾范发明的， 目前还在广泛应用的氦氖激光器。
激光器的组成
(1)放大介质 放大介质(以下称为激光介质)是指在外界能量的
激励下，可以在其原子的某两个能级间满足粒子 数反转的物质。某种激光介质可以使某个或者某 些持定频率(由达到粒子数反转的两个能级决定) 的光得到放大．最终得到激光输出。
激光介质可以是气体、液体、固体和半导体。根 据激光介质的小同。可以把激光器分为气体激光 器、固体激光器、半导体激光器、化学激光器及 染料激光器等。
溅射去除（芯片的刻蚀）； 溅射镀膜（原子、分子级附着加工，制作金属
化合物、合金和氧化薄膜等）； 注入加工（材料成分、结构、性能变化，用于
半导体的掺杂、材料改性等）； 离子束 暴光（灵敏度、分辨率高，可实现线宽
〈0.1µm的精密暴光）
离子束加工装置
加工装置由离子源、真空、控制、电源系 统等组成；
难加工材料） 加工性能好（无须在防护内进行，无须工具） 加工速度快，效率高； 价格昂贵。
激光加工的各种应用
激光打孔示意图
激光打孔时孔实例
在铝上刻槽
在钼上打直径 为100um的孔
在厚度为1.1mm 的铝上打直径为
200um的孔
激光打孔时孔实例
在陶瓷上打直径 为25um的孔阵列
在硅片上打直径 为6um的孔阵列
2.10.3.3 离子束加工(续)
碰撞模型：
一次溅射 二次溅射 回弹溅射 排斥离子 置换离子
一次碰撞中传递的能量E=4E0m0m/(m0+m)² （E0 ：入射离子能量；m0 ：被撞击粒子质 量；当m0和m相等时，E取极值。）
离子碰撞过程模型
2.10.3.3 离子束加工(续)
加工方法：
(2)泵浦源
泵浦源的作用就是使激光基态能级的原子 被激发到较高能级，在激光上能级和下能 级之间达到粒子数反转的条件：
不同的激光器类型采用不同的泵浦激励方 式。
固体激光器一般采用闪光灯或者半导体激 光进行泵浦。
(3)反射镜与谐振腔
要想获得单色性(接近单一频率)和方向性好的激 光．我们必须选则一定传播方向和频率的光信号， 使其只有最优的放大作，而抑制其他方向和频率的 光信号。可以在激光介质的两头加上两块相互平行 的反射镜，这对反射镜所形成的是激光谐振腔。
激光的基本概念
由于某种原因激发到高能级的原子在 该能级具有一定的寿命。这种寿命是 非常短的，一般为10－7s左右。原子 在各个能级的寿命有长有短，基态的 寿命最长；在原子中存在着亚稳态， 寿命相对较长为10－3S左右，称为亚 稳态能级，这是激光形成的重要条件。
激光பைடு நூலகம்基本概念
外力作用使原子由低能级过渡到高能级的过程叫 做激发。
离子源分为：
双等离子体（高密度）； 离子簇射型（离子流，能量低，但稳定，用于
刻蚀）； 高频等离子体（可获金属离子和气体离子，强
度低）。
离子束加工装置
离子束加工加工特点
精度和表面质量高（微观力效应，束径r<1µm， 精度可达nm）；
加工材料广（脆性、半导体以高分子材料等）； 加工方法丰富：去除、镀膜、注入； 控制性能好，易实现自动化； 应用广。
蓝色激光加工光盘
激光加工用于多层光学光盘
电子束加工
电子束加工的原理
电子束加工是在真空条件下，利 用聚焦后能量密度极高(106一 109w／cm2)的电子束，以极高的 速度冲击到工件表面极小面积上， 在极短的时间(几分之一微秒)内， 其能量的大部分转变为热能，使 被冲击部分的工件材料达到几千 摄氏度以上的高温，从而引起材 料的局部熔化和气化，被真空系 统抽走。 控制电子束能量密度的 大小和能量注入时间，就可以达 到不同的加工目的。
利用电子束热效应的加工
低功率密度、 中等功率密度、 高功率密度照射
(二)加工型孔及待殊表面
电子束不仅可以加工各种直的型 孔和型面，而且也可以加工弯孔 和曲面。
(三)电子束刻蚀
在微电子器件生产中，为了制造多层固体 组件，可利用电子束对陶瓷或半导体材料 刻出许多微细沟槽和孔来，如在硅片上刻 出宽2.5微米，深0.25微米的细槽，在混合 电路电阻的金属镀层上刻出40微米宽的线 条。还可在加工过程中对电阻值进行测量 校准，这些都可用计算机自动控制完成。
光波在腔内来回反射并跟原子发生作用，持续不断 地产生受激辐射，这个方向的光就越来越强，大量 的发光粒子相互关联地向着一个方向发光，这样我 们就获得了激光。
为了引出激光，一块反射镜对激光是全反射的。另 一块是部分透过的，激光在装有部分透过反射镜的 一端输出。
(4)振荡条件
客观上还存在着不利于激光振荡的一面，即放大 介质和谐振腔造成的光在腔内的损耗，如果损耗 的光子数大于放大的光子数。则显然激光就不可 能产生。
值得指出的是，我国在激光领域起步也较早。王 之江等人于1961年也研制成功了我国第一台激光 器“红宝石”激光器。
激光的基本概念
电子围绕原子核旋转的动能和原子核吸引 电子具有的位能构成了整个原子的能量， 即原子的内能。
在无外力作用下，原子的内能是不变的。 在外力的作用下，如果电子和原子核的距 离增大，则原子的内能增加；如果电子和 原于核的距离减小，则原子的内能也要相 应地减小。
电子束焊接可焊接很簿的工件，也可焊接几百毫米厚的工件。 电子束焊接还能完成一般焊接方法难以实现的异种金属焊接。
如铜和不锈钢的焊接，钢和硬质台金的焊接，铬、镍和钼的焊 接等。
2.10.3.3 离子束加工
原理：离子束力效应及其溅射现象。离子质 量》电子质量，加速时间长，但可以达到 10kev的量级。加工是通过弹性碰撞，轰击 加工表面具有强穿透力，表层不产生热量， 无机械应力和损伤。
（四）电子束焊接
由于电子束的能量密度高，焊接速度快，所以电子束焊接的焊 缝深而窄，焊件热影响区小，变形小。电子束焊接一般不用焊 条，焊接过程在真空中进行．因此焊缝化学成分纯净，焊接接 头的强度往往高于母材。
电子束焊接可以焊接难熔金属如钽、铌、钼等。也可焊接钛、 锆、铀等化学性能活泼的金属。对于普通碳钢、不锈钢、合金 钢、铜、铝等各种金屑也能用电子束焊接。
加工特点
束径小，能量密度高（束径r=100~0.1µm，长度可达束 径几十倍，适合深孔加工）；
被加工对象广泛（热效应和化学效应加工）； 加工速度快，效率高； 控制性能好，易于实现自动化（通过磁场或电场对电子
束的强度、束径、位置进行迅速、准确的控制，自动化 程度高。易于实现加工图形、圆孔、异形孔、盲孔、锥 孔、弯孔及狭缝等。） 由于电子束加工是在真空中进行，因而污染少，加工表 面不氧化，特别适用于加工易氧化的金属及合金材料， 以及纯度要求极高的半导体材料。 电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，价格较 贵．生产应用有一定局限性。
激光的起源
1916年，38岁的爱因斯坦发表了一篇论文。 提出了一种受激吸收和发射的观点。所谓 受激吸收就是一个光子照射一个原子，原 子吸收光子后光子消失，原子中的电子从 较低能级跃迁到较高能级；受激发射则是 光子照射处于较高能级的原子，原子发射 出一个跟照射光子频率相同的光子，从而 得到两个光子。这一观点竞成为未来激光 领域的开山之斧。
电子束加工的应用
(一)高速打孔 电子束打孔已在生产中实际应用，目前