_飞秒激光微加工_打孔_的文献综述_王敏

高的峰值功率，与物质相互作用时呈现强烈 的非线性效应，如自聚焦、自相位调制、群速 色散、白光超连续谱的产生等。它主要依靠多 光子吸收机制来加工一些长脉冲激光无法作用 的透明材料，并且其作用时间极短，热效应 小，可以克服等离子体屏蔽的现象[4]。 4.1 飞秒激光烧蚀的特性 为了对材料造成烧蚀作用，激光的能 流密度必须超过某一特定的值，即烧蚀阈值 F th 。原本不会吸收可见光和近红外光这一 波段的透明介质，会在极小范围内因多光子 电离而快速产生大量的等离子体。当等离子 体密度达到10 21cm -3时，由于对激光能量的 强烈吸收，激光能达到的深度只有lμm。大 量激光能量在物质中沉积，给局部加热并使 其形成光损伤，而周围的物质仍处于“冷状 态”。因此和长脉冲相比，飞秒激光加工的 边缘较为光滑、清洁[5]。 飞秒激光针对透明介质以及其他各类材 料（包括金属）的烧蚀打孔实验均表明了飞 秒激光加工可以得到极好的微加工质量[6]。 对于特定的激光参数，烧蚀阈值由材料 的光学反射、吸收及热扩散系数决定[2]。材 料的掺杂和缺陷对烧蚀阈值的影响很小，烧 蚀阈值比较稳定。飞秒激光对材料的烧蚀阈 值低于长脉冲，适当控制其能流密度使其略 高于烧蚀阈值，便可以使加工精度突破衍射 极限。这一特性与高斯光束能流密度分布有 关。 F (r ) F0 exp(2r 2 / Байду номын сангаас0 2 ) 式中F0为归一化的能流密度，r为高斯光 束的径向尺寸， 0 为高斯光束的束腰半径， 束腰处的能流密度 F0 / e2 [2]。
Literature Review of Femtosecond Laser Micro Processing——Punching
东南大学吴健雄学院
Wang Min （Chien-Shiung Wu College，Southeast University，2011；Nanjing，211189）
【摘要】飞秒激光微加工技术作为一种新兴的加工技术，具有非接触、效率高、加工精度高、热效应小、损伤阈值低以及能够实现真正的三维结构微加工等传统 技术无法比拟的诸多优点，其应用领域相当广泛。文章描述了飞秒激光加工透明材料时，激光能量沉积在光学趋肤层，热效应极小的特性。指出了目前打孔普遍 利用激光的直写技术，针孔掩模加工技术可以改善孔形的事实。最后展望了飞秒激光微加工的研究方向。 【关键词】飞秒激光；微加工；打孔；阈值；优点；前景 Abstract：As a new processing technology，femtosecond laser micro processing technology has such advantages as non-contact，large efficiency，high precision，small heat effect，low damage threshold，and can realize the real three-dimensional structure of micro machining etc.which traditional technologies cannot compare with，resulting in a wide range of application.This article describes the characteristics that laser energy deposits on optical skin layer and thermal effect is very small when femtosecond laser machines transparent materials.It also points out the fact that currently the laser direct writing technology is commonly used for punching and pinhole mask technology can improve the holes’shape.Finally，it prospects the future research direction of the femtosecond laser micro processing. Key words：femtosecond laser；micro processing；punching；threshold value；advantages；prospects
“飞秒激光微加工——打孔”的文献综述
王
1.引言 激光是在粒子数反转情况下通过受激 辐射放大产生的高亮度相干光束，其原理早 在1916年就由物理学家爱因斯坦提出，但直 到1960年，梅曼(T・Maiman)成功制造的第 一台红宝石激光器问世[1]，量子光学才由理 论研究发展到技术工程。随着各类激光器的 出现，激光器的脉宽急剧缩小，峰值功率大 幅提高，可调型和稳定性等优势逐渐凸显， 飞秒激光在工业加工领域备受青睐，各界根 据不同的需要将其广泛应用于微光学、微电 子、微机械、微生物、微医学等领域。 2.飞秒激光脉冲技术 1976年，人们首次在染料激光器中实现 了飞秒量级的激光脉冲输出[2]。20世纪90年代 初，克尔透镜锁模飞秒钛宝石激光器使得飞 秒激光技术获得了一次飞跃发展。2003年，N H Rizvi总结了飞秒激光对金属、玻璃、金刚 石、陶瓷以及各种聚合物等材料的微加工进 展情况，并论证了飞秒激光是一种优秀的微 加工光源[3]。 人们利用飞秒激光可以聚焦到透明材料 内部进行三维加工这一特性，在石英玻璃中 制备出各种微光学元件和微流体器件，并将 其成功集成在同一块玻璃芯片上，飞秒激光 于是在生物传感和生化分析等领域得到一定 应用。 在信息电子领域，研发人员将新型激光 精细加工装备应用于半导体集成电路、印刷 线路板、平板显示、FBG光纤光栅，大大提高 了制作效率和工艺水平。经过科研人员的努 力，飞秒激光在半导体照明、太阳能光伏电 池、燃料电池、微创医用器械及各类MEMS等 新兴产业中也得到了广泛应用。另外，由于 激光加工的非接触性，它还可应用于昂贵或 危险物品的加工。 3.飞秒激光微加工的发展现状 激光微加工被誉为“未来制造业的共同 加工手段”。在世界范围内，欧洲、美国、 日本在飞秒激光微纳加工领域至今仍处于领 先地位。我国的激光微加工技术研究大多集 中在高校和科研机构，国内也有一些新兴的 激光设备制造企业开发的激光微孔加工设备 应用于生产中，但由于落后的加工控制技术 和较为薄弱的研发能力，产品的孔型和径深 比都无法与欧美日等激光产业比较发达的国 家相比。 4.飞秒激光与透明介质的相互作用 飞秒激光脉冲具有极短的脉冲宽度和极
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敏
学术交流
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一起因寄生回路引起控制回路异常的情况分析
云南电网公司昆明供电局 李 磊
【摘要】对一起110kV变电站110kV内桥断路器因寄生回路引起控制回路异常的情况进行了介绍，分析了导致异常发生的原因和暴露的问题，提出具体的防范措 施。 【关键词】寄生回路；控制回路异常
1.引言 二次回路的寄生回路指的是保护回路中 不应该存在的多余回路，它能造成保护装置 和二次设备误动、拒动、信号回路错误发信 及多种不正常工作现象，导致运行人员在事 故时发生误判断和误处理，甚至扩大事故。 检修人员在某110kV变电站综自改造验收时发 现其110kV内桥断路器合闸又分闸后不能再次 手动合闸，经回路检查发现其新操作箱存在 寄生回路。 2.问题的提出 《电力系统继电保护及安全自动装置反 事故措施要点》中提出：“由不同直流空气 开关（直流熔断器）供电或不同专用端子对 供电的两套保护装置的直流逻。 辑回路间不允许有任何电的联系，如有 需要，必须经空接点输出。”如启动失灵回 路接线，其电源取失灵保护的电源，失灵保 护与线路保护没有任何的电联系，线路保护 以及装置均采用空接点实现失灵启动逻辑关 系。这是因为不同的直流逻辑回路间有电的 联系时，易形成寄生回路，在特殊情况下可 能引起保护误动作。为了满足上述要求，其 检查方法往往不像寻找单纯直流串电中的寄 生回路利用拉合直流馈线屏不同直流电源空 气开关并量取相应保护屏直流电源空气开关 电位那么简单，往往需要检修人员进行图实 相符及回路验证。 例如在某110kV变电站综自改造验收现 场，新增110kV内桥112断路器测控屏后，112 断路器操作箱由原深圳南瑞ISA-358F 110kV备 自投装置中自带操作箱更换为新112断路器测 控装置中国电南自SCX11P操作箱。更换后发现 112断路器合闸又分闸后不能再次手动合闸， 经回路检查发现其新操作箱存在寄生回路。 很高的情形。辅助以水或其他液体的飞秒激 光微加工技术可以驱散碎屑以防阻塞，但只 能加工一些比较短的微通道。 在光束中插入象散透镜或狭缝，可以适 当改变脉冲强度的空间分布，微通道横截面 趋于圆形，性能得到改善。对精密的光学元 件而言，使用退火处理技术可以有效地提高 空心结构的表面平整度。 5.飞秒激光打孔的优点 飞秒激光脉冲具有极短的脉冲宽度和极 高的峰值功率。激光束在空间和时间上高度 集中，利用透镜聚焦，可以将光斑的直径缩 小到微米级，从而获得高功率密度。与其他 加工技术相比，有以下诸多优点：(1)飞秒 激光与物质相互作用时呈现强烈的非线性效 应，其作用时间极短，热效应小，对被加工 材料氧化、变形、热影响区域均较小，不需 要特别保护；(2)飞秒激光的加工精度非常 高，已经超过衍射极限的限制，可以达到纳 米量级；(3)与接触式的传统机械打孔相比， 可以避免碎屑的产生，并且可以获得大的深 径比。 由此可见，飞秒激光微孔加工是一种便 捷高效、绿色环保、节能降耗的先进制造技
图1 高斯光束的烧蚀阈值
为了提高加工精度必须把光束会聚得尽 量小，可以使用较大数值孔径(NA)的物镜聚 焦。在2001年日本科学家利用飞秒脉冲激光 双光子聚合技术首次突破衍射极限获得120nm 的加工分辨率后，我国中科院理化技术研究
所有关科学家于2007年实现了15nm线宽的纳 米尺度加工分辨率[7]。 透明介质材料的烧蚀阈值还与聚焦条件 有关。随着数值孔径的增加，阈值能量逐渐 减小。因此，即使输出功率较低，通过使用 较大数值孔径的聚焦透镜，也可以在透明介 质中形成烧蚀。 超短脉冲与介质相互作用时存在热扩散 效应，三温模型充分考虑了材料对光子的非 线性吸收和电子-晶格作用，解释了载流子和 晶格的温度以及飞秒激光对介质材料作用时 等离子体的产生过程，显示了飞秒激光加工 透明材料时激光能量沉积在光学趋肤层、热 效应极小的特点。 4.2 飞秒激光直写加工技术 飞秒激光直写不同于干涉和投影制备 等方法，它具有较高的自由度，常用于各种 点、线扫描。目前主流的实验装置是商业化 的掺钛蓝宝石的啁啾脉冲放大系统。具体激 光参数包括：中心波长为800nm左右，脉宽为 几十到几百飞秒，单脉冲能量已达到毫焦量 级，重复频率为1～103kHz量级可调谐。为了 减小加工中热效应的累积，可将重复频率降 得更低。 将样品放置在由计算机控制的三维精密 平移台上，通过半波片和线偏振片的组合来 调节脉冲能量，使飞秒激光通过物镜聚焦到 样品表面或体内，加工过程可以通过CCD成像 系统实时监控。 针孔掩模加工技术对聚焦点处飞秒激光 空间传输特性具有一定的影响。当聚焦物镜 前不加针孔时，焦点附近的烧蚀区域基本为 对称分布，且偏离焦点位置时，烧蚀线宽迅 速增加，成纺椎型分布。而加上针孔后，焦 点附近束腰半径变化趋缓，烧蚀边界更加清 晰、无裂痕，且脉冲能量大小只影响刻痕线 宽大小[8]。 4.3 微流体器件 微通道是微流体器件的重要组成部分， 目前主要从：(1)在空气中对石英或硅酸盐玻 璃内部钻孔加工微通道；(2)辅以水或其他液 体的飞秒激光微加工技术；(3)飞秒激光辐照 光敏玻璃后对样品进行焙烧、腐蚀、退火等 后期处理；(4)飞秒激光辐照石英玻璃后直接 使用HF酸腐蚀[9]等四个方面研究飞秒激光加 工三维微通道。 在空气环境中对材料打孔需要较高脉冲 能量，并且只能沿轴向加工微通道，孔的内 壁平整性较差，适用于对加工精度要求不算