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飛秒激光技術(shù)的產(chǎn)業(yè)加工應(yīng)用
2012/5/16 0:30:08
自1985年啁啾脈沖放大技術(shù)發(fā)明以來，很多研究小組對強(qiáng)飛秒激光脈沖與物質(zhì)的相互作用進(jìn)行了廣泛的研究。通過這些研究，目前利用飛秒激光技術(shù)進(jìn)行高精度材料加工的過程已經(jīng)在產(chǎn)業(yè)界找到了創(chuàng)新性的應(yīng)用機(jī)會。與傳統(tǒng)激光器相比，飛秒激光材料加工技術(shù)可以明顯減少材料上的熱效應(yīng)。這是由于飛秒激光脈沖將能量傳導(dǎo)到材料中所需要的時(shí)間比光電耦合的時(shí)間要短，能量還來不及被擴(kuò)散到四周媒介中，受熱的材料就已經(jīng)被噴射出來了。
此外，飛秒激光脈沖聚焦后所具有的光強(qiáng)峰值高，因此，它不只可以加工透明材料的表面，也能夠進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)的加工。與傳統(tǒng)激光加工技術(shù)相比，飛秒激光加工技術(shù)的這些上風(fēng)為它開拓了廣泛的應(yīng)用遠(yuǎn)景。
表面納米級周期結(jié)構(gòu)的加工
最近的研究指出，利用飛秒激光器來進(jìn)行表面納米級周期結(jié)構(gòu)的加工有助于材料表面的功能化。當(dāng)飛秒激光對材料表面進(jìn)行輻照時(shí)，具有亞微米級周期率的納米級周期結(jié)構(gòu)能夠以一種自組裝的方式自動天生。圖1給出了在硅晶圓上所形成的這類結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)還可以在金屬、陶瓷材料、半導(dǎo)體和玻璃等材料中形成。這項(xiàng)技術(shù)的主要應(yīng)用包括：減小精密滑動零件的摩擦損耗，比如汽車引擎元件；改善涂層的粘結(jié)強(qiáng)度；防止微粒的吸附；控制濕潤性。佳能機(jī)械公司制造并銷售一種飛秒激光表面加工系統(tǒng)——Surfbeat R，它配備了Cyber激光公司的產(chǎn)業(yè)級飛秒激光器IFRIT。
平面顯示器的切割過程
新一代平面顯示器要求玻璃的切割過程采用加工速度快且質(zhì)量高的激光技術(shù)。這是由于使用傳統(tǒng)的金剛石刀片切割技術(shù)很難進(jìn)步產(chǎn)量。使用這項(xiàng)新型玻璃切割技術(shù)時(shí)，飛秒激光脈沖被聚焦到玻璃基底的后表面來進(jìn)行刻線。由于激光的脈寬短，所以激光能量被局域空間的非線性電離過程吸收，從而能夠?qū)ΣＡУ暮蟊砻孢M(jìn)行加工，而不影響前表面。在后表面四周聚焦的飛秒激光脈沖在玻璃基底內(nèi)產(chǎn)生了小孔，這些小孔一直延伸到后表面上。對沿著切割線的小孔進(jìn)行排列，玻璃基底在機(jī)械應(yīng)力或者熱沖力作用下很輕易斷開。
速度超過400mm/s的高速玻璃切割已經(jīng)在無堿玻璃和硼硅玻璃中得到了成功的實(shí)踐，所使用的是新開發(fā)的重復(fù)頻率為50kHz、功率為5W的飛秒激光器。這項(xiàng)技術(shù)也可以被用于雙層玻璃基底的切割。
雙波長式材料加工技術(shù)
對于透明材料的微加工來說，使用深紫外（DUV）飛秒激光比近紅外（NIR）飛秒激光更有利，由于很多透明材料對DUV的吸收很強(qiáng)，而且，飛秒激光所具有的超短脈寬能夠避免不必要的熱效應(yīng)。但是，從基頻光到DUV飛秒激光的轉(zhuǎn)換效率很低，這就給加工速度帶來了限制。最近開發(fā)的雙波長式飛秒激光技術(shù)能夠克服這個(gè)困難。該技術(shù)使用了雙脈沖式的飛秒激光，它包括了波長260 nm的DUV預(yù)脈沖和隨后波長為780 nm的NIR主脈沖，該技術(shù)既進(jìn)步了燒蝕效率，又改善了燒蝕質(zhì)量。260 nm DUV預(yù)脈沖的作用是產(chǎn)生電子—空穴等離子體，以進(jìn)步材料對于預(yù)脈沖后780 nm NIR主脈沖的吸收率，同時(shí)預(yù)脈沖還能夠降低780 nm脈沖相對于作用區(qū)域的透射率。
圖4給出了分別由NIR飛秒激光和雙波長式飛秒激光脈沖在硼硅玻璃表面得到的刻槽。使用780nm NIR飛秒激光進(jìn)行燒蝕得到的材料表面上可觀察到微裂縫，亞表面則有破壞現(xiàn)象（如圖4a）。而另一方面，假如使用雙波長式飛秒激光來進(jìn)行燒蝕，燒蝕質(zhì)量和效率可以得到明顯的進(jìn)步（如圖4b）。這里，260 nm DUV預(yù)脈沖780 NIR主脈沖之間的時(shí)間間隔是0 ps。260nm DUV預(yù)脈沖和780 nm NIR主脈沖之間時(shí)間間隔的最佳值是由能量沉積和耗散之間復(fù)雜的相互關(guān)系來決定的，因此它取決于材料的類型。與僅使用NIR飛秒激光相比，其燒蝕體積進(jìn)步了近十倍。
對于圖4的情況來說，260nm DUV預(yù)脈沖和780 nm NIR主脈沖的能量沉積分別是由于線性吸收和雙光子吸收。這項(xiàng)技術(shù)可以被用來加工帶隙較寬的材料，由于260nm脈沖的能量沉積是以非線性的方式進(jìn)行。
到目前為止，在近紅外飛秒激光對透明物質(zhì)的燒蝕過程中，燒蝕質(zhì)量和效率之間是相互制約的。但是，雙波長式飛秒激光技術(shù)能夠同時(shí)改善這兩個(gè)方面。目前，這項(xiàng)新奇的飛秒激光燒蝕技術(shù)被應(yīng)用在基底材料上盡緣層的修整和微流體設(shè)備的制作，在這些加工過程中，高功率和高質(zhì)量是非常重要的。
飛秒激光解決方案
在2004年，Cyber公司生產(chǎn)的IFRIT飛秒激光器（180 fs，1 mJ，1 kHz）能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間超過10000小時(shí)，并且無需任何維護(hù)。為了進(jìn)一步保障其穩(wěn)定性，激光器還配備了一套自動化功率治理系統(tǒng)（APMS），該系統(tǒng)能夠?qū)す廨敵龉β蔬M(jìn)行自動調(diào)整。該激光器即使在環(huán)境變化的情況下，如溫度和濕度，也能維持穩(wěn)定的激光輸出功率。對于需要更高輸出功率的情況，高功率、 50kHz、5W的飛秒激光器也已實(shí)現(xiàn)貿(mào)易化。IFRIT激光器用戶可享有Michigan大學(xué)第3283265號專利的使用授權(quán)。(end)
此外，飛秒激光脈沖聚焦后所具有的光強(qiáng)峰值高，因此，它不只可以加工透明材料的表面，也能夠進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)的加工。與傳統(tǒng)激光加工技術(shù)相比，飛秒激光加工技術(shù)的這些上風(fēng)為它開拓了廣泛的應(yīng)用遠(yuǎn)景。
表面納米級周期結(jié)構(gòu)的加工
最近的研究指出，利用飛秒激光器來進(jìn)行表面納米級周期結(jié)構(gòu)的加工有助于材料表面的功能化。當(dāng)飛秒激光對材料表面進(jìn)行輻照時(shí)，具有亞微米級周期率的納米級周期結(jié)構(gòu)能夠以一種自組裝的方式自動天生。圖1給出了在硅晶圓上所形成的這類結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)還可以在金屬、陶瓷材料、半導(dǎo)體和玻璃等材料中形成。這項(xiàng)技術(shù)的主要應(yīng)用包括：減小精密滑動零件的摩擦損耗，比如汽車引擎元件；改善涂層的粘結(jié)強(qiáng)度；防止微粒的吸附；控制濕潤性。佳能機(jī)械公司制造并銷售一種飛秒激光表面加工系統(tǒng)——Surfbeat R，它配備了Cyber激光公司的產(chǎn)業(yè)級飛秒激光器IFRIT。
平面顯示器的切割過程
新一代平面顯示器要求玻璃的切割過程采用加工速度快且質(zhì)量高的激光技術(shù)。這是由于使用傳統(tǒng)的金剛石刀片切割技術(shù)很難進(jìn)步產(chǎn)量。使用這項(xiàng)新型玻璃切割技術(shù)時(shí)，飛秒激光脈沖被聚焦到玻璃基底的后表面來進(jìn)行刻線。由于激光的脈寬短，所以激光能量被局域空間的非線性電離過程吸收，從而能夠?qū)ΣＡУ暮蟊砻孢M(jìn)行加工，而不影響前表面。在后表面四周聚焦的飛秒激光脈沖在玻璃基底內(nèi)產(chǎn)生了小孔，這些小孔一直延伸到后表面上。對沿著切割線的小孔進(jìn)行排列，玻璃基底在機(jī)械應(yīng)力或者熱沖力作用下很輕易斷開。
速度超過400mm/s的高速玻璃切割已經(jīng)在無堿玻璃和硼硅玻璃中得到了成功的實(shí)踐，所使用的是新開發(fā)的重復(fù)頻率為50kHz、功率為5W的飛秒激光器。這項(xiàng)技術(shù)也可以被用于雙層玻璃基底的切割。
雙波長式材料加工技術(shù)
對于透明材料的微加工來說，使用深紫外（DUV）飛秒激光比近紅外（NIR）飛秒激光更有利，由于很多透明材料對DUV的吸收很強(qiáng)，而且，飛秒激光所具有的超短脈寬能夠避免不必要的熱效應(yīng)。但是，從基頻光到DUV飛秒激光的轉(zhuǎn)換效率很低，這就給加工速度帶來了限制。最近開發(fā)的雙波長式飛秒激光技術(shù)能夠克服這個(gè)困難。該技術(shù)使用了雙脈沖式的飛秒激光，它包括了波長260 nm的DUV預(yù)脈沖和隨后波長為780 nm的NIR主脈沖，該技術(shù)既進(jìn)步了燒蝕效率，又改善了燒蝕質(zhì)量。260 nm DUV預(yù)脈沖的作用是產(chǎn)生電子—空穴等離子體，以進(jìn)步材料對于預(yù)脈沖后780 nm NIR主脈沖的吸收率，同時(shí)預(yù)脈沖還能夠降低780 nm脈沖相對于作用區(qū)域的透射率。
圖4給出了分別由NIR飛秒激光和雙波長式飛秒激光脈沖在硼硅玻璃表面得到的刻槽。使用780nm NIR飛秒激光進(jìn)行燒蝕得到的材料表面上可觀察到微裂縫，亞表面則有破壞現(xiàn)象（如圖4a）。而另一方面，假如使用雙波長式飛秒激光來進(jìn)行燒蝕，燒蝕質(zhì)量和效率可以得到明顯的進(jìn)步（如圖4b）。這里，260 nm DUV預(yù)脈沖780 NIR主脈沖之間的時(shí)間間隔是0 ps。260nm DUV預(yù)脈沖和780 nm NIR主脈沖之間時(shí)間間隔的最佳值是由能量沉積和耗散之間復(fù)雜的相互關(guān)系來決定的，因此它取決于材料的類型。與僅使用NIR飛秒激光相比，其燒蝕體積進(jìn)步了近十倍。
對于圖4的情況來說，260nm DUV預(yù)脈沖和780 nm NIR主脈沖的能量沉積分別是由于線性吸收和雙光子吸收。這項(xiàng)技術(shù)可以被用來加工帶隙較寬的材料，由于260nm脈沖的能量沉積是以非線性的方式進(jìn)行。
到目前為止，在近紅外飛秒激光對透明物質(zhì)的燒蝕過程中，燒蝕質(zhì)量和效率之間是相互制約的。但是，雙波長式飛秒激光技術(shù)能夠同時(shí)改善這兩個(gè)方面。目前，這項(xiàng)新奇的飛秒激光燒蝕技術(shù)被應(yīng)用在基底材料上盡緣層的修整和微流體設(shè)備的制作，在這些加工過程中，高功率和高質(zhì)量是非常重要的。
飛秒激光解決方案
在2004年，Cyber公司生產(chǎn)的IFRIT飛秒激光器（180 fs，1 mJ，1 kHz）能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間超過10000小時(shí)，并且無需任何維護(hù)。為了進(jìn)一步保障其穩(wěn)定性，激光器還配備了一套自動化功率治理系統(tǒng)（APMS），該系統(tǒng)能夠?qū)す廨敵龉β蔬M(jìn)行自動調(diào)整。該激光器即使在環(huán)境變化的情況下，如溫度和濕度，也能維持穩(wěn)定的激光輸出功率。對于需要更高輸出功率的情況，高功率、 50kHz、5W的飛秒激光器也已實(shí)現(xiàn)貿(mào)易化。IFRIT激光器用戶可享有Michigan大學(xué)第3283265號專利的使用授權(quán)。(end)
