在微加工領(lǐng)域，短脈沖、尤其是超短脈沖激光器正在取代傳統(tǒng)的加工方法。對(duì)于超短脈沖激光器，得益于其冷燒蝕特性，因此其對(duì)所要加工的材料幾乎沒(méi)有任何限制。
    在冷燒蝕過(guò)程中，材料的去除本質(zhì)上只能通過(guò)化學(xué)鍵斷裂來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此其產(chǎn)生的熱影響僅限于幾微米的區(qū)域，并且相應(yīng)的變形也最小。不幸的是，超短脈沖激光器的燒蝕速率仍然非常低，進(jìn)而限制了其在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
    金屬材料的燒蝕閾值在0.2J/cm2的范圍內(nèi)，而玻璃和陶瓷的燒蝕閾值則在幾個(gè)J/cm2的范圍內(nèi)。為了提高去除速率，可以使用具有較大聚焦口徑的高脈沖能量，以在更大的區(qū)域內(nèi)工作。在諸如玻璃或聚合物等透明材料加工應(yīng)用中，可通過(guò)非線性效應(yīng)（如多光子過(guò)程）來(lái)提高去除速率。此外，也可以提高重復(fù)頻率。重復(fù)頻率可以從100kHz到幾兆赫茲，目前正在進(jìn)行重復(fù)頻率超過(guò)10MHz的研究。
    盡管傳統(tǒng)的光纖激光器已經(jīng)在工業(yè)環(huán)境中植根多年，但是飛秒光纖激光器在市場(chǎng)上仍然屬于新事物。德國(guó)耶拿大學(xué)的Jens Limpert博士使用的超快光纖激光器，平均功率接近1kW，峰值功率在GW量級(jí)，重復(fù)頻率在kHz到MHz的范圍內(nèi)。雖然超快光纖激光器已經(jīng)能夠達(dá)到上述較高的性能，但是其仍然具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/SPAN>
    除了單脈沖之外，另一種提高燒蝕速度的方式是采用所謂的脈沖猝發(fā)（burst）。以50MHz的脈沖序列為例，重復(fù)頻率為500kHz的脈沖被提取出來(lái)并被放大。
   “燒蝕效果與脈沖能量成對(duì)數(shù)關(guān)系。通過(guò)這種方式，可以將相同的總能量分配到幾個(gè)脈沖中，然后通過(guò)脈沖疊加來(lái)達(dá)到更高的去除量。”Lumera Laser公司的Dirk Müller介紹說(shuō)。實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明5~10個(gè)脈沖的脈沖猝發(fā)是有效的，并且約為20ns的脈沖間隔也已被證明是有效的。然而，最終獲得的去除質(zhì)量在很大程度上依賴(lài)于所要處理的材料。
    微結(jié)構(gòu)的高效生產(chǎn)
    在微加工領(lǐng)域享有盛名的方法包括EDM（放電加工）、微模壓加工和光刻技術(shù)。EDM只適用于導(dǎo)電材料，并且速度緩慢；沖壓模的制造成本較高；而光刻則需要高精密掩模，并且后續(xù)的刻蝕過(guò)程還對(duì)環(huán)境有很大的污染。相比之下，激光冷燒蝕加工不但能夠?qū)崿F(xiàn)與上述方法類(lèi)似的加工精度，而且更具成本效益，同時(shí)也非常環(huán)保。最精細(xì)結(jié)構(gòu)的沖壓使得金屬板材的加工更加容易，金屬板材結(jié)構(gòu)由模壓輥制成。德國(guó)夫瑯和費(fèi)激光技術(shù)研究所（Fraunhofer-ILT）已經(jīng)利用功率為100W、重復(fù)頻率為3MHz的皮秒激光器，獲得了最佳的精細(xì)結(jié)構(gòu)加工效果。
   “在整個(gè)激光微加工過(guò)程中，CAD數(shù)據(jù)得到了精確的再現(xiàn)，沒(méi)有熔化物飛濺以及其他廢棄物，并且表面粗糙度小于0.5μm�！盕raunhofer-ILT燒蝕與焊接部門(mén)主管Arnold Gillner博士說(shuō)（見(jiàn)圖1和圖2）。為了獲得更好的加工效果，脈沖之間必須有10％~15％的重合，兩條脈沖的刻線間則必須有10％的重合。
  圖1：由超快脈沖激光器加工的一個(gè)工具的局部圖。

圖2：用于LED照明的導(dǎo)光結(jié)構(gòu)。用于部件注塑成型所使用的工具是通過(guò)超短脈沖激光器加工而成的。
    由于具備冷燒蝕特性，因此超快激光也可以用于加工塑料。幾乎生產(chǎn)有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）的所有加工設(shè)備都是獨(dú)一無(wú)二的。由于有機(jī)光伏電池（OPV）和OLED的制造工藝相似，德國(guó)夫瑯和費(fèi)光子微系統(tǒng)研究（Fraunhofer-IMPS）的工程師們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了用于OLED和OPVs的Gen2試驗(yàn)性生產(chǎn)線。OLED的層系統(tǒng)是通過(guò)OVPD（有機(jī)氣相沉積）或者VTE（真空熱蒸發(fā)）技術(shù)，在塑料薄膜上沉積ITO（銦錫氧化物）層形成的。對(duì)于這樣的微型結(jié)構(gòu)制造，使用激光器是最理想的選擇，因?yàn)樗鼈兊墓ぷ魉俣瓤�，并且安裝時(shí)間可以忽略不計(jì)。
  “這種無(wú)需光刻技術(shù)的加工過(guò)程提供了與光刻工藝相同的優(yōu)良質(zhì)量，而且由于其在部署和成本方面的優(yōu)勢(shì)，因此這種方法更加靈活�！盕raunhofer-IMPS的Christian May博士說(shuō)。  

德國(guó)3D-Micromac公司也針對(duì)相同的問(wèn)題展開(kāi)了工作。該公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一種模塊化系統(tǒng)，其能夠在普通的環(huán)境條件下，利用卷對(duì)卷制程實(shí)現(xiàn)有機(jī)、可彎曲的太陽(yáng)能電池和OLED的全自動(dòng)化生產(chǎn)（見(jiàn)圖3）。
    圖3：由超短脈沖激光加工的有機(jī)太陽(yáng)能電池的膜層。
    利用超短脈沖激光器進(jìn)行卷對(duì)卷激光微加工的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是汽車(chē)玻璃。由于汽車(chē)的車(chē)窗越來(lái)越大，在日光照射下車(chē)內(nèi)會(huì)越來(lái)越熱，而汽車(chē)玻璃的膜層則會(huì)形成法拉第籠，對(duì)通訊有屏蔽作用。為了改善這種情況，必須在不影響“美觀”的前提下去除部分膜層。
    “皮秒激光可以在薄膜的背面工作，并且光束能在不破壞基底的情況下通過(guò)它�！�3D-Micromac公司的Christian Scholz報(bào)道說(shuō)。目前該項(xiàng)目尚處于仿真階段。
    對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)，與可能的掃描速度相比，去除速率不是個(gè)大問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)，需要達(dá)到約200m/s和更高的掃描速度。采用相控陣偏轉(zhuǎn)器可以滿足速度要求，能夠獲得超過(guò)500m/s的速度，但是目前這些系統(tǒng)仍處于研發(fā)階段，尚且不適合工業(yè)應(yīng)用。
    另一種解決速度緩慢問(wèn)題的方式是讓幾部分光束并行工作。用于分光的衍射光學(xué)元件僅僅操縱光束的光學(xué)相位，并且具有非常大的透射率。這些光學(xué)元件由石英玻璃制成，生產(chǎn)成本較低，這一點(diǎn)也要?dú)w功于超短脈沖激光的冷燒蝕特性。
    另一種制造周期性納米結(jié)構(gòu)的方法是使用干涉。這意味著所有的材料都可以通過(guò)這種方法加工，包括疊加一個(gè)短波長(zhǎng)超短脈沖激光的幾部分光束，從而產(chǎn)生具有高分辨率的干涉圖樣（見(jiàn)圖4）。
    圖4：疊加一個(gè)短波長(zhǎng)超短脈沖激光的幾部分光束，產(chǎn)生高分辨率的干涉圖樣。
   “實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明了這種方法的可靠性，目前我們正在改進(jìn)這種方法以滿足工業(yè)應(yīng)用的需求。”Laser-Laboratorium Göttingen e.V的Peter Simon博士說(shuō)。
    激光燒蝕法切割
    利用傳統(tǒng)的激光器切割金屬箔，必須采用氣體噴嘴來(lái)吹出熔化物，并且需要專(zhuān)門(mén)的輪廓匹配的切割工具。除了工具方面的成本外，用于熔化金屬的氣體流動(dòng)還能夠引起金屬箔變形，相對(duì)較高的能量輸入也會(huì)使金屬箔彎曲，并且會(huì)在切割邊緣形成脊?fàn)钔黄�。利用短脈沖激光器切割金屬箔，其激光束多次經(jīng)過(guò)切割路徑，逐漸作用于被切割的材料上。另外，在工件的固定方面，只需要將金屬箔吸附在穿孔的板上就足以固定金屬箔了。
   “利用短脈沖激光切割的唯一限制就是工作區(qū)域較小、定位精度較低，這依賴(lài)于聚焦位置和掃描裝置的校準(zhǔn)。”Günter-Köhler-Institut Jena的Daniel Hubert指出。對(duì)于厚度超過(guò)100μm的膜層，該過(guò)程由于需要較長(zhǎng)的加工時(shí)間而降低了經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。
    超短脈沖激光器具有小而窄的聚焦點(diǎn)，可用于切割小于20μm的寬度。利用激光器切割芯片可以獲得高得多的封裝密度，使得它與傳統(tǒng)技術(shù)相比，有可能在每個(gè)晶圓上獲得大約兩倍數(shù)量的芯片。皮秒激光也給支架切割帶來(lái)了利好。與傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝相比，皮秒激光不但能節(jié)省昂貴的材料和涂飾費(fèi)用，并且還減少了浪費(fèi)。超短脈沖激光已經(jīng)可以成功地切割硅晶圓，這使得獲得更輕更薄的晶圓成為可能。
    有了這些短脈沖和超短脈沖激光器，使得激光加工幾乎對(duì)材料已經(jīng)沒(méi)有任何限制，并且能夠獲得最高的加工精度。未來(lái)，超短脈沖潛在的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，從生物組織到材料堆棧和復(fù)合材料的加工，尤其是加工CFRP（碳纖維增強(qiáng)塑料）這種不容易處理的材料。在激光微加工研究方面，德國(guó)3D-Micromac公司是一家積極的推進(jìn)者。2010年，該公司曾邀請(qǐng)了微加工領(lǐng)域的專(zhuān)家們參加其舉辦的“第三屆激光微加工國(guó)際研討會(huì)”，與業(yè)內(nèi)同人共同分享激光微加工的最新進(jìn)展（見(jiàn)圖5）。為了展示近期內(nèi)業(yè)界在激光微加工領(lǐng)域所取得的新成果，該公司表示下屆大會(huì)將于2012年舉辦。

     作者：Barbara Stump    來(lái)源：激光世界