激光器是許多微加工用途的有效工具，激光聚焦光束可以很容易地會聚到一個直徑幾微米的目標上（或者通過一只高分辨力物鏡將激光曝光的掩膜圖形“翻版”到工件上）。在目標區域內激光材料的相互作用將由多個參數加以控制，諸如波長、脈沖能量和脈沖寬度等，這些參數決定脈沖的峰值能量密度。一定的參數組合可以引起打標、切割、穿孔、退火、淬硬等操作所需要的熱效應。 受激準分子激光器發出的納秒（ns）脈沖高能UV光子（主要按掩膜圖形分布），可以在材料表面引發“無熱效應”，用來腐蝕聚碳酸酯薄層或打標。 而且，無熱反應，即冷消融，在采用超短脈沖激光器進行的微加工試驗中得到了論證，冷消融基本上可以切割任何一種材料。飛秒（fm）激光器能達到數百tW/cm2（太瓦/ cm2）的能量密度，因此可以加工金屬、半導體以及玻璃或有機材料等絕緣體。 最近，試驗證明皮秒（ps）激光器可以對金屬和其它工業材料進行微加工，并達到相同的精度和類似的單位脈沖切除率。皮秒脈沖寬度之短，足以避免能量發生熱擴散并達到這些消融臨界過程所需要的峰值能量密度。試驗和理論分析說明，10 ps左右的激光脈沖寬度適合于許多加工用途[1]，有助于避免在靶標前面的空氣中發生的等離子效應和由此引起的光束變形和散射。 皮秒激光器穩定可靠，而且比飛秒激光器便宜。最重要的是，皮秒激光器提供較高的平均功率(10 W)和良好的光束質量（M2 < 1.5），且頻率高達100kHz，從而減少單件成本，并使這種微加工技術具備工業應用的資格。如果一個增強的皮秒激光系統完全調整到合適的狀態，就能通過每個脈沖去除聚焦范圍內幾納米~幾十納米厚的材料，為工業過程提供極好的通過軟件驅動的3D控制能力。這使材料切除率達到1 mm3 /min左右（鋼），激光加工總成本約25美分/min。 這樣的激光器有望成為高質量的新型加工工具，用于計算機控制的加工系統中，對任何一種材料（金屬、半導體以及玻璃、鉆石、陶瓷和聚合物等絕緣體）進行穿孔、切割或表面蝕刻。 例如，2003年Lumera Laser展示了這種類型的首臺激光器Staccato，該設備以1064 nm脈沖寬度提供 10 W TEM00激光輸出，在100kHz頻率下提供脈沖寬度12 ps、脈沖能量100 μJ的激光輸出，足以使任何材料在直徑150 um左右的靶標區域內達到消融臨界點。 在很多情況下（甚至在金屬上），短脈寬和短波長相結合，可以顯示最好的微加工效果，本文將對一些試驗范例進行討論。 不銹鋼鉆孔 皮秒激光系統有望用于金屬精密穿孔，金屬表面的邊緣質量、內孔壁的質量和微米級的重復精度，都勝于納秒（ns）激光器。改進鉆孔質量的第一步是螺線鉆孔（環鉆），在這個方式下，激光束沿螺旋形軌跡穿透工件，使孔的出口呈現清晰的圓形邊緣（見圖1）。 圖1：在100μm厚不銹鋼上螺線鉆孔的出口端：孔徑100μm，平均功率1W。為了使整個孔達到良好的質量，在鉆孔過程中必須對激光器的輻射偏振進行適應性調整。孔壁表面形成波紋和形狀不規則的孔，在很大程度上取決于激光偏振對孔壁表面的影響有關。在螺線鉆孔過程中，只要利用特殊的環鉆光路進行偏振控制，使極化方向總是垂直于孔壁，就能獲得無波紋的孔。 皮秒激光系統的光束質量非常好（M2 < 1.5），皮秒超短激光輻射可以在有效工作距離內聚焦成一個10 μm或更小的光點。 一種應用是在厚50μm的鋼箔上鉆數個直徑50 μm孔，顯示了邊緣質量良好、無毛刺、融化層最小的孔。采用平均能量2 W的Staccato激光系統，每分鐘可以鉆180個孔。另一種應用是在厚25 μm鋼箔上鉆數個30 μm孔，只要對加工參數進行優化，在激光輻射的進口端也能保持良好的孔口質量（見圖2）。 圖2：直徑30μm孔入口端，采用圓偏振激光鉆切，圓度 好，重復精度高，毛刺最小，且孔壁質量不錯。硅片鉆孔 為了確定高能皮秒脈沖在這一方面的潛力，并且與納秒和飛秒脈沖輕易可以實現的表面和邊緣質量進行對比，我們在50 μm厚硅片上進行環鉆（見圖3）。 圖3：采用不同的脈沖寬度環鉆硅片（圖片由LZH提供）。圖3中的試樣說明脈寬對孔口邊緣質量和孔壁圓度的典型影響（每種情況的過程參數和可達到的結果均未經過優化）。在這個試驗條件下，25 ns脈寬鉆孔的平均毛刺高度(15~20 μm)比12 ps脈寬鉆孔的平均毛刺高度（3~4 μm）大5~6倍。 脈寬為150 fs時，幾乎看不到毛刺。在孔壁表面，質量與脈寬顯示出了類似的依存關系：采用25 ns脈沖，形成特別粗糙的表面。采用皮秒和飛秒脈沖時，沿孔壁有細小的溝槽，其原因在于這些試驗條件采用了線性偏振（納秒脈沖也存在這種影響，但是觀察不出來，因為融化對表面產生的影響更大）。利用特殊的環鉆光路或采用圓偏振，可以顯著改進孔壁質量（如下面一個范例所示）。 高頻技術要求電子元件穿過硅片上的通孔，而蝕刻工藝幾乎不能產生這樣的孔。通過采用一臺平均能量為5 W 的Staccato激光系統，在300μm厚硅片上鉆出了直徑2mm的通孔，而且鉆一個2mm孔只需幾秒鐘。圖4顯示，孔口邊緣和孔壁質量良好（該樣本是采用圓偏振激光加工的）。 圖4：在300μm厚的硅片上切孔陶瓷和玻璃鉆孔 如果將皮秒或飛秒數量級的超短激光脈沖聚焦于材料表面，能量密度肯定可以達到幾百太瓦/cm2（1太瓦=1萬億瓦特）。在不存在自由電子的材料中，超短激光脈沖的能量由于多光子和電子沖擊吸收或帶間躍遷而累積。因此，超短脈沖激光器可以處理常規激光器難以加工的硬質材料或透明材料。 當陶瓷鉆孔必須達到嚴格的公差、很小的孔徑或復雜的孔眼分布時，可選擇激光加工。圖5是用 Staccato激光系統在200μm厚陶瓷試樣上切出的直徑1mm孔，平均能量10W，加工時間約8秒鐘。由于無熱燒蝕過程，因此在激光加工的孔周圍沒有任何熱裂紋、毛刺和碎屑。 圖5：在300μm厚硅片上鉆孔。（左） 圖6：在140μm厚玻璃蓋片上鉆1 mm孔。（右） 利用IR皮秒激光器的三次諧波輻射對硼硅酸玻璃進行了加工，在355 nm脈沖寬度和2 W平均功率下，每分鐘加工20個孔。圖6顯示孔口邊緣質量良好，具有最小的影響區，而且毫無裂紋或碎屑。 切割不銹鋼 在電子工業，飛秒激光系統目前用于掩膜生產過程，切割100 μm厚不銹鋼薄片。采用0.37 W平均功率和1 kHz頻率的飛秒激光系統時，切割一塊20×20 mm2掩膜差不多需要1小時的加工時間。采用Staccato皮秒激光系統和50 kHz頻率、0.85 W平均功率加工同樣的圖形時，加工時間減少到原來的1/6（見圖7）。 圖7：切割100μm厚不銹鋼薄片切割硅片 切割硅片的通用技術是采用金剛石鑲鍍的砂輪切斷機。為了適合未來的要求，例如減小切口、切割超薄晶片并達到同樣高的切口質量，激光輻射的應用正在開發之中[3、4]。在這一點上，集成電路之間的切痕必須盡可能地減小，以優化晶圓芯片封裝。此外，高質量的切口對于避免后續處理是必須的。采用飛秒和皮秒激光脈沖（圖8）最大限度地避免了在切口附近形成裂紋，而且完全不需要清理以及其它后續加工工序。 圖8：用fs和ps脈沖切割硅片（圖片由LZH提供）表層結構處理：改良金屬翼面 利用激光輻射，幾乎可以加工每一種微米范圍內的結構并達到很高的重復精度。應用流體學主要研究如何減小渦輪機葉片或機翼上流阻，因此，被稱為“縫翼”的活動肋狀結構在流控系統表面的應用目前正在研究當中。如圖9所示，這些結構可以減小翼面和周圍氣流之間的紊流干擾。 圖 9：潛在應用：金屬表面肋形結構可減小摩擦（圖片由LZH提供）。這些示范性肋形構件試樣是采用脈寬約12 ps的Staccato激光器實現的，為了避免熱損傷，如金屬表面的受輻照區域達到融化相，必須采用這樣短的脈沖寬度。而且，在加工和非加工材料之間形成毛刺的可能性最小[5、 6]。在規定的行掃描速度下對該表面進行了掃描，下排照片采用1 mm/s，上排采用100 mm/s。 加工金屬碳化物 碳化物（硬質合金）機械硬度大(>1300 kp/mm2) ，抗磨損性高，幾乎適合于每一種鋼、合金和鑄鐵。這類刀片的耐用性和被加工零件的質量取決于刀刃的形狀和表面。刀刃倒圓半徑由兩個基本成分組成：倒角半徑和幾何參數。改變激光器的輸出功率或進給速率可以達到不同的倒圓半徑，而刀刃的幾何參數必須按照不同的排屑方式而加以調整。因此，切削力或被加工零件的表面質量可能受到影響。另外，在排屑過程中刀刃的幾何特征必須適應加工材料的硬度[6]。 圖10a的圓角是在焦點直徑30 μm和低脈沖能量的組合條件下加工的，非常低的燒蝕速率對刀刃產生一種平滑作用。加工出的半徑在2 μm~10 μm之間，具體尺寸與刀刃原始表面的粗糙度有關。圖10c是一個表面質量相同但半徑較大的圓角（約45 μm），在這種情況下，由于焦點比較大，必須采用較高的脈沖能量。這項工作屬于德國聯邦教育與研究部 (BMBF) 出資建立的“GEOSPAN”（刀具表面微觀結構的生成和測量）工程(www.geospan.de)。 圖10：采用不同加工參數的倒圓角（圖片由LZH提供）上述用途顯示，采用高頻皮秒脈沖進行微加工可提供高質量和高效率。12 ps以內的脈沖寬度有助于最大限度地減少熱損傷和毛刺，避免產生令人煩擾的非線性結果，而且加工后的刀刃質量和表面光潔度幾乎與飛秒加工相同。短脈沖與100 kHz高頻率相結合，使激光器能夠進行有效而無后續處理的燒蝕過程。而且，皮秒激光器有望用來直接剝離金屬覆層 — 消除ITO（Indium Tin Oxide）薄層，或對卡車發動機的活塞襯套進行激光珩磨。 除了在電子和微加工應用中可控地切除材料以外，介入蝕變（折射率改變、色心形成或專用添加劑改性），對于在透明材料內生成識別標志或功能性結構來說是一個有前途的方法。 本文作者：Thomas Herrmann 領導該應用實驗室，Bernhard Klimt負責Lumera 激光器的市場銷售。 Frank Siegel是Laser Zentrum Hannover eV的項目經理。 參考文獻 ◆ 1.Dausinger F., H. Hügel, and V. Konov. Micro-machining with Ultrashort Laser Pulses: From Basic Understanding to Technical Applications, in proceedings of Conference ALT 02, 5-20 September 2002, Adelboden (Switzerland). ◆ 2.Dausinger F. Femtosecond Technology for Precision Manufacturing: Fundamental and Technical Aspects, in RIKEN Review No. 50 (January 2003). Focused on Laser Precision Micro Fabrication (LPM 2002), p. 77-82. ◆ 3.Ostendorf A., C. Kulik, T. Bauer, and N. Barsch. Ablation of Metals and Semiconductors with Ultrashort-Pulsed Lasers, Improving Surface Qualities of Micro Cuts and Grooves, in proceedings of SPIE Vol. 5340, 2004, p. 153-163. ◆ 4.T nshoff H. K., A. Ostendorf, K. K rber, and N. Barsch. Ablation and Cutting of Planar Silicon Devices Using Femtosecond Laser Pulses, in Applied Physics A 77 (2003), p. 237-242. ◆ 5.T nshoff H. K., F. von Alvensleben, A. Ostendorf, G. Kamlage, et al. Micromachining of Metals Using Ultrashort Laser Pulses, in International Journal of Electrical Machining, No. 4, January 1999. ◆ 6.T nshoff H. K., A. Ostendorf, C. Kulik, and F. Siegel. Finishing of Cutting Tools Using Selective Material Ablation, in proceedings of 1st International CIRP Seminar on Micro and Nano Technology, Copenhagen, Denmark, November 13-14, 2003.