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超短脈沖激光微納加工技術(shù)介紹

發(fā)布時(shí)間：2020-04-27 來源：元祿光電

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，季期間想著超短脈沖、超強(qiáng)高度、超短波長的方向邁進(jìn)，這給激光材料加工帶來了革命性的進(jìn)步。近年來超短脈沖精密加工越來越得到人們的關(guān)注。這主要體現(xiàn)在超短脈沖激光加工可以得到高于長脈沖激光加工的精度，最高可以達(dá)到亞微米甚至納米級別。另外超短脈沖激光除了可以進(jìn)行材料表面的加工，還能夠?qū)崿F(xiàn)對透明材料內(nèi)部的加工與改性。適用于其他加工方法無法實(shí)現(xiàn)的高精度、復(fù)雜形狀元器件的加工，實(shí)現(xiàn)真三維、可設(shè)計(jì)、可集成。超短脈沖激光的瞬間功率極大，可以喝幾乎任何材料相互作用，因而可用于激光加工的材料幾乎不受限制。對于超硬、易碎、高熔點(diǎn)、易爆炸等材料的加工，更具有其他方法無法匹配的優(yōu)勢。

這里的超短脈沖激光微細(xì)加工技術(shù)指的是利用超短脈沖激光（脈沖寬度在皮秒至飛秒量級，10^-12~10^-15s）對材料的顯微加工、精密裁切以及微觀改性。這里的3個(gè)屬于定義如下：顯微加工指的是對樣品材料的精密去除；精密裁切值得是利用激光將樣品材料裁切成微納尺度的特征形狀；微觀改性指的是利用激光改變樣品材料特定微觀區(qū)域的物理化學(xué)性能。這3個(gè)屬于既相互獨(dú)立又緊密相連，有時(shí)在微觀改性的同時(shí)也伴隨著樣品材料的精密去除，而顯微加工是精密裁切的基礎(chǔ)。我們把上述術(shù)語統(tǒng)稱為超短脈沖激光微納加工。

超短脈沖激光微納加工分類

從材料的性能變化來說，超短脈沖激光微納加工可以分為表面形貌、折射率、離子價(jià)態(tài)、相態(tài)、缺陷態(tài)、晶態(tài)、化學(xué)鍵以及能帶結(jié)構(gòu)等的修飾與調(diào)控。在超短脈沖激光加工過程中，有時(shí)是單一的性能銹蝕，有時(shí)是多項(xiàng)性能的修飾同時(shí)發(fā)生。舉例說明。

圖1為超短脈沖激光誘導(dǎo)的6中材料性能轉(zhuǎn)變。（a）為在金屬表面形成的亞波長周期結(jié)構(gòu)。其周期從入射激光波長尺度到入射波長的1/10，為制備納米尺度周期結(jié)構(gòu)提供了一種全新的途徑。（b）為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。超短脈沖激光可以在透明材料內(nèi)部誘導(dǎo)折射率改變，寫入二維、三維的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及器件，如分束器、衍射光柵、整列波導(dǎo)光柵、波導(dǎo)激光器等。（c）為在晶體內(nèi)部的誘導(dǎo)的缺陷結(jié)構(gòu)，即色心。在諸如半導(dǎo)體、發(fā)光信息存儲、色心激光等技術(shù)領(lǐng)域有著廣發(fā)的應(yīng)用。（d）為離子價(jià)態(tài)變化。在金屬離子或稀土離子摻雜的玻璃內(nèi)部，是的摻雜離子的價(jià)態(tài)發(fā)生改變，誘導(dǎo)出具有特殊功能的符合材料，實(shí)現(xiàn)特定的線性、非線性光學(xué)性能。（e）為靜態(tài)變化。超短脈沖激光的輻照非晶態(tài)的玻璃材料可以在輻照區(qū)域析出晶體相，或者超短脈沖激光輻照晶體材料，在激光輻照區(qū)域可以從一種晶態(tài)向另一種晶態(tài)轉(zhuǎn)化，為制備不同晶態(tài)的集成器件提供新途徑。（f）為半導(dǎo)體帶隙變化。通過超短脈沖激光半導(dǎo)體硅，改變其能帶結(jié)構(gòu)。經(jīng)處理的硅具有吸收光譜寬以及光譜響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，在太陽能電池以及光電探測器方面具有極大的應(yīng)用前景。

圖1超短脈沖激光微納加工距離

超短脈沖激光微納加工應(yīng)用領(lǐng)域

中央“十二五”規(guī)劃提出了加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的建議，大力發(fā)展節(jié)能環(huán)保、新興新興產(chǎn)業(yè)、生物產(chǎn)業(yè)、新能源、新能源汽車、高端裝備制造業(yè)和七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。這為激光現(xiàn)金制造技術(shù)提供了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。在這七大斬六新興產(chǎn)業(yè)中，超短脈沖激光微納加工都能發(fā)揮用武之地而且是某些環(huán)節(jié)的必須技術(shù)。

圖2超短脈沖激光微納加工應(yīng)用領(lǐng)域

目前，超短脈沖激光微納加工主要應(yīng)用在如圖2所示的領(lǐng)域。這里舉例幾個(gè)應(yīng)用實(shí)例：（1）太陽能電池（包括晶硅以及薄膜電池）的鉆孔、刻線、劃槽以及表面紋理化，通過超短脈沖激光埋柵刻槽及摻雜處理后，電池的光電轉(zhuǎn)換效率有望得到2%左右的提升；（2）計(jì)算機(jī)、手機(jī)、電視等CSTN、TP、LCD液晶顯示模塊中的超薄玻璃基板的劃線分割。傳統(tǒng)方法采用金剛石切割，成品率低，刀具壽命短。超短脈沖激光的非接觸肺熱加工模式則可以克服上述缺點(diǎn)，是取代傳統(tǒng)金剛石切割，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)更新?lián)Q代的理想技術(shù)；（3）醫(yī)療行業(yè)。目前常用于制作血管支架的材料有金屬鉭、醫(yī)用不銹鋼及鎳鈦合金等。金屬支架在進(jìn)入臨床治療后取得了令人矚目的療效，但近年也逐漸暴露出一些不足和弊病，如易至血栓形成，再狹窄率高，造成血管壁損傷以及永久保留體內(nèi)等。針對以上不足，可降解生物材料的血管支架成為研究的熱點(diǎn)，對可降解材料的加工是決定該類支架材料應(yīng)用的關(guān)鍵問題。為了保證加工后的材料性能不便，對加工技術(shù)提出了更高的要求。超短脈沖激光微納加工可降解生物材料具有獨(dú)到的優(yōu)勢；（4）精密機(jī)械、醫(yī)療、光學(xué)元器件加工。適用于一些機(jī)械加工方法無法實(shí)現(xiàn)的高精度、復(fù)雜形狀元器件的加工，如發(fā)動機(jī)噴嘴、打拿極、太赫茲光源偏正片等；（5）透明材料內(nèi)部的維納改性。對玻璃、晶體、高分子材料內(nèi)部實(shí)現(xiàn)微納改性，賦予改性區(qū)域新的功能。適用于制備波導(dǎo)類光子學(xué)微器件、三維立體顯示、三維工藝品等；（6）微電子學(xué)。薄膜的局部沉積及去除，即激光修整、激光光刻、激光微機(jī)械加工，以及局部摻雜等。圖3進(jìn)一步闡述了圖2中超短脈沖激光的應(yīng)用領(lǐng)域。

（a）為晶硅太陽能電池的埋柵刻槽與激光摻雜；（b）為激光刻劃有機(jī)薄膜太陽能電池；（c）為超短脈沖激光對聚合物材料進(jìn)行雙光子聚合制備微光機(jī)電器件；（d）為飛秒激光輔助眼科手術(shù)；（e）為皮秒激光刻蝕柔性印刷電路板的聚合物導(dǎo)電層；（f）為皮秒激光隱性切割LED襯底材料。

圖3 超短脈沖激光微細(xì)加工應(yīng)用領(lǐng)域舉例

超短脈沖激光微納加工市場展望

相對于傳統(tǒng)的激光打標(biāo)、激光焊接、激光切割等，超短賣場激光精密微細(xì)加工還屬于新興的試產(chǎn)，美國Raydiance公司預(yù)測在10年內(nèi)，超短脈沖激光技術(shù)將擁有超過1000億美元的市場，其中醫(yī)學(xué)和聲明科學(xué)占50%、材料開發(fā)和制造行業(yè)占25%。也就是說在材料加工、制造行業(yè)，未來10年內(nèi)超短短脈沖激光技術(shù)在全球?qū)谐^250億美元的市場。

隨著超短脈沖激光器件趨向更為成熟的工業(yè)應(yīng)用，超短脈沖激光微納加工技術(shù)將開拓更為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，成為諸多行業(yè)不可或缺的利器，為科技造福、為社會創(chuàng)造更美好的明天。

推薦設(shè)備：飛秒激光切割機(jī)