飞秒激光微细加工

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飞秒激光微细加工

摘要：本文简单地介绍了微细加工技术和飞秒激光及其特点、原理，并列出几个典型的飞秒激光加工技术的应用，分析了该技术相对其他维系加工技术的优势所在，最后分析飞秒激光微细加工技术的发展趋势和应用前景。

关键词：飞秒激光微细加工技术飞秒激光微细加工

引言：随着时代发展，各种新兴的加工工艺不断出现而改变了现代加工方式，虽然其仍在发展之中，有其局限性，，但随着研究的深入，新技术的引用，而使其愈加完善。微细加工作为一种新兴的加工方式，在现代加工行业的地位愈显重要，用飞秒激光这一前沿科技进行微细加工，有其独特的优点，而成为了微细加工工艺中一个重要的分支。

1·微细加工简介

微细加工（microfabrication）是指制造微小尺寸（尺度）零件的生产加工技术。微细加工是为微传感器、微执行器和微电子机械系统制作微机械部件和结构的加工技术。他起源于半导体制造工艺，原来是只加工尺度约在微米级范围的加公方式。【1】而它现在所指的加工等级的范围已经扩展到纳米级。微细加工在半导体继承电路上的应用，使得大规模集成电路和计算机技术得到了发展，而它现在已经涉及到各种现代加工方式，特别是微机械研究和制造上已经成为了必不可少

的基础环节。

2·飞秒激光简介及其特点介绍

飞秒（femtosecond）也叫毫微微秒，是一种标衡时间长短的计量单位，1飞秒只有1秒的一千万亿分之一，飞秒激光是人类目前在实验室条件下所能获得最短脉冲的技术手段。【2】飞秒激光技术不仅可以获得超短波长的激光、产生瞬间高功率，而且可以高密度聚集而使电磁场强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍，这样在短时间去除较浅深度的物质所引起的变形量就小。

飞秒激光主要特点：①超短脉冲，飞秒激光是我们人类目前在实验条件下能够获得的最短脉冲；②瞬时高功率，飞秒激光有非常高的瞬间功率，它的瞬间功率可达百万亿瓦，比目前全世界的发电总功率还要多出上百倍；③精确定位性，飞秒激光具有精确的靶向聚焦定位特点，能够聚焦到比头发的直径还要小的多的超细微空间区域。由上述特点可以看出飞秒激光在维系加工领域的前景。

3·飞秒激光的加工机理【3】

准分子激光加工的物理过程大致可分为以下几个阶段：

①自由电子吸收激光能量，运动加速；②高能量电子与原子碰撞，产生更多的自由电子，产生雪崩过程；③电子与晶格碰撞，使得晶格温度升高，并使其融化、气化和等离子体出现；④晶格之间传递能量使作用区域扩散。飞秒激光进行微加工时，其起始物理过程就是物质内部自由电子吸收激光能量。对于长脉冲，它不能迅速产生自由电子，完全依赖介质内部已经存在的自由电子，而这种自由电子的分布对小

空间而言，随机性很强，这就造成长脉冲激光进行加工时的随机性和不确定性，从而使得长脉冲激光不能进行极为精细的加工。而飞秒激光由于脉冲短，峰值功率高，与物质相互作用时发生强烈的多光子吸收过程。在极短时间内产生数量确定的大量自由电子，克服了物质本身在小空间范围内固有自由电子分布的随机性，从而保证后续物理过程的确定性，大大提高了飞秒激光加工的精细程度。【4】

4·飞秒激光加工的类型及典型应用

①利用飞秒激光去除物质，对加工对象进行精细雕刻，大部分微／纳米机械部件都属于这一类型，它在微机械领域有着重要的应用。图1是利用飞秒激光在金属上加工的六角形网格，它用于超高速扫描摄像机中。【5】

图1用飞秒激光在金属上的加工的六角形网格

②利用飞秒激光使聚合物变形加工成各种微型器件。图2所示是用飞秒激光逐点扫描法加工出的纳米牛。【6】

图2用飞秒激光逐点扫描法在集合材料内部加工出的纳米牛

③利用飞秒激光对加工对象进行局部改性，如折射率的改变，它在光通信领域中的光波导、光分束器、光耦合器、微型光栅和光开关等微光学领域中具有广泛应用前景。

④微、纳米区域的物质转移，它是利用飞秒激光将特定的物质“搬移”到特定的部件上，形成及其精密的特定物质图案，如掩模等。它在微电子学中有着功能。

⑤双光子聚合【7】，它是将超短脉冲激光经高倍显微物镜聚焦到光敏聚合物材料里，利用双光子激发光聚合形成固化，通过控制感光材料的空间移动生成三维立体微结构，未曝光的材料用溶剂溶解掉，则得到所需的固化三维结构。图3和图4分别为用双光子飞秒激光加工出的微纳齿轮和光镊驱动齿轮。

图3双光子加工出的微纳米齿轮【8】图4双光子加工的光镊驱动齿轮【9】5·特殊材料的飞秒微细加工

由于飞秒激光加工的非热机制，所以对于一些特殊的金属材料如单晶超级合金（其加工过程要求不破坏零件基体本身的围观结构，否则起性能将大大降低）是一种有效的加工方法。

①飞秒激光加工非晶合金

由于非晶合金处于亚稳态，起物理化学性质及力学性能会随非晶

合金的结构弛豫和晶化发生变化，所以高效、无晶化的加工技术对非晶合金应用至关重要。为解决此问题，可使用飞秒激光对非晶合金进行无晶化微细加工：先对非晶合金进行线切割；再利用飞秒激光对非晶合金打孔，飞秒激光的脉冲能量密度为50〜薩/cm2，脉冲宽度45〜100fs，中心波长为800nm，重复频率为lKHz。【10】

②飞秒激光烧蚀铌酸锂晶体

铌酸锂晶体在低于1210摄氏度时呈铁电性，当温度吵过此温度时呈顺电性。

而高能流密度飞秒烧蚀铌酸锂晶体会使其拉曼光谱在880cm-1处的峰值急剧降低。【11】

6·飞秒激光微细加工与其它微细加工技术的比较

在第2节中我们提到了飞秒激光的各种特点，由此，可以得出采用飞秒激光加工材料与其它微细加工技术相比较具有如下优势：①加工孔径的熔融区很小或没有。飞秒激光的持续时间远远小于晶格热传导时间，在其与物质相互作用时，其能量吸收严格限制在极小范围内，并在极短时间内使电子温度达到极高，使物质从固态变为等离子态，迅速以喷射形态脱离加工体，其周围的物质仍然处于“冷状态”。因此，与长脉冲比较，飞秒激光加工的边缘极其整齐和精确，并能克服热效应所带来的一切弊端。②可以实现多种材料，如金属、半导体、透明材料内部甚至生物组织等的微机械加工、雕刻。③加工区域可以小于聚焦尺寸，突破衍射极限等。一般激光加工，其横向尺寸大于激光波长，这是由于衍射规律的限制。虽然飞秒激光也受衍射规律的限