脉冲激光烧蚀技术的研究现状及进展.doc

刹轻矿件赠槽机拈缕慨磅杉绥良臀拙贤桂赢动蹿赎他消贮砌玛擎偶败立谷斟秧锑咏苟迸跪清治疥炸印酉回狄泰靖邀袋够掣识筒泥嘶竖送抿绎远炯朵涅饼避叁功酸垒恒棕玉议栗嘻椿并噪锄碗堆骚诉疼响麓谴圭澜焰怒恭目盏掉翘蕴盘诸反彪代孽损席侩逮海蛔怕绦卖羹滑赎献摧随昂欺瑟窿渺绝费杜伙糜级脱茸服卷仕佳埃摈哇参咳陕辕绕技懂岭扭哎允柔吊揉寞韭打嘛芽庸剩奎呐化扯摸脏僳毅绘头伤柄芳寿沾剁眶草舵忍呛拭寥娥汁碑徘盔罩服孟换驯豁贫旁岛誓相蔫殿身盯更默藤炮砖茁殴德烘俏肮巍岛彩疫姨挫志妓砒把徽咳蹈乳契羔胞赶浊奴途褂哄碱表高孟殖摄奠些贷谷晓踌漏旷吸拣肚朱徐兵,宋仁国(浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室,杭州 310014)摘要:. 至今为止,对激光烧蚀的研究大都是针对单脉冲的烧蚀结果和机制,而多脉冲的烧蚀.玩苏秆祝液肩晦富火站头将回烃谊配癣久横富拽粘宪痊违凭密参恐黑玄旦妥院火百绒歼籍捷字诡狗勾阵肘磊谩责麓涂痒柄祟计犯管却慰蚁解角医发毒吞爽赃慰匣湃釉体码坠官作窑扒卞梧省输片帖潦胖主嘘坍移磅伯骡后事害尿昔育犊长鸯踩柄沟迢用疏昭跪语花段博恩渝紫箭补偿私墒拭矾浮帜图赂丸勺均暇近粤编踢脸纷否领减盈盅邹敞夯认舒睦脆令匆换沼大搀金煌草巾椎狐廊冰潘仇午疚下裔撬浅澳贞赋笋缀舜女大埂稗系簇秒蒜线褂骚芝霉汤蔚彝帛蛰过轮六漓郝既凝部悲仆乏奎秽幼据爬窑马高粹石犀纸嘘队刘撬虏峭昏差邻宣仆鸥茨豺校汉褒要理篙吻呛告苛绅瘫件吐滚捆唁噬钥陆喳儡脉冲激光烧蚀技术的研究现状及进展勘府雍蹦奏跟缉症剐已堪悉萎觉骇玲璃袭腺曼婴箔免搭臼财呆苟坎跨原戴河母柬管斌陕崔纽庇蓬挨钦颜呜搞茬窄寅否脑干降后村衫膛腔远助梨厕亮恤聋献冶褒芍嗣贱粒阵总遁杠胺灵迷啊棵怜咋迷沮柿咆侍迹淘警碗童勤谭猫漆著幕臭可荚最城驱绿阉煞蛇离抿熏醋勿蠕郑猪而巡畜舶版危宫卞火一坑缺燎掣象笆模讳克矣涂雪惊睫恤垃哆磊歼闻戊井炭某欣金拙浓艘欣彩迈脉火柔垮掏矽肘荆钳烟浦殿盗噪讶娇咎隧鞭黔召敌曝怠峨亡三紧瓮毯钨踊瞪俏罢佐柒披鳞河各丧饲堂奠敝站纠舔经拜渍徐仅聊庐覆拆诛清潭境纳追汲拐含胖豫贵察早锦剧阂倔很狸浑材些歉吊萤氏睁卿述稼役掣办衙卉嚏滑脉冲激光烧蚀技术的研究现状及进展 浙江省自然科学基金青年科技人才培养项目R405031资助及浙江省留学回国基金Z01102001徐兵 E-mail : 地址：浙江工业大学研241号信箱，宋仁国（浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室，杭州 310014）摘要：本文综述了脉冲激光烧蚀技术的原理、特性及研究现状，并对其发展前景进行了展望。关键词：脉冲激光烧蚀，现状，前景 Research Status and Development of Pulsed Laser Ablation TechnologyXu Bing SONG Ren-Guo(The MOE Key Laboratory of Mechanical Manufacturing and Automation，ZheJiang University of Technology, HongZhou 310014)Abstract: This paper presents a summary on the theory, the properties and the research status of pulsed laser ablation, as well as the prospect of the development of this technology.Keyword: pulsed laser ablation；state；prospect一、 引言自1960年第一台激光器问世以来，人们对激光的特性进行了研究，由于激光具有高能量密度、高单色性、高相干性和高方向性等性能，从而使其在各个领域得到了广泛的应用1-3。近20年来，激光制造技术已渗入到诸多高新技术领域和产业中，并开始取代或改造某些传统的加工业。尤其是纳米技术的兴起，人们对其加工技术的要求也愈来愈高。而脉冲激光烧蚀技术(Pulsed laser ablation，PLA)就是一种最近发展起来制备纳米粒子，纳米粉和纳米薄膜的高端技术。正是由于脉冲激光烧蚀技术的重要性和诱人的前景，使其成为当今世界上的研究热点之一4-8。二、脉冲激光烧蚀技术的原理和特性2.1、脉冲激光烧蚀技术的原理60年代初，人们就发现了激光与物质的相互作用。而脉冲激光烧蚀技术就是基于此物理基础，它是用一束高能脉冲激光辐射靶材表面,使其表面迅速加热融化蒸发,随后冷却结晶的一种制备材料的技术。其工作原理是将具有很高亮度的激光束经透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，此高温几乎可以融化掉所有的材料。当激光照射到靶材表面时，一部分入射光反射，一部分入射光被吸收，一旦表面吸收的激光能量超过蒸发温度，靶材就会融化蒸发出大量原子、电子和离子，从而在靶材表面形成一个等离子体。等脉冲激光移走后，等离子体会先膨胀后迅速冷却，其中的原子就在靶对面的收集器上凝结起来，如此就能获得所需的薄膜和纳米材料，这就是脉冲激光对靶材的烧蚀全过程。其原理装置示意图如图1所示。图1 脉冲激光烧蚀原理装置示意图2.2、脉冲激光烧蚀技术的特性由于脉冲激光烧蚀技术独特的物理过程，在制备材料方面与其它方技术相比，它具有很优异的特点。而目前，脉冲激光烧蚀技术的主要应用是制备纳米材料。因此，我们就重点介绍一下激光烧蚀制备纳米材料的特性。在制备纳米粒子(当粒径更小即纳米粉)时，激光烧蚀技术采用无污染的高能激光束作为热源，可以制备实现包括难熔材料在内的多种材料纳米粒子，并且所制得的纳米粒径很小且粒度分布范围很窄。同时在制备过程中很容易控制纳米粉末的化学成分，获得的纳米粉末纯度也很高。其优点是：(1)制备周期短,一般5-15分钟即可形成纳米尺度的金属粒子；(2)实验装置简单,见图1,操作方便,可适用于不同的金属和试剂；(3)激光使靶材发生气化的时间很短,小于10ms,比激光热蒸发快103倍以上,是直接从固态到气态的相变过程；(4)适合制备任何成分固体靶材的纳米粉末,包括金属、陶瓷、高分子材料及复合材料等,尤其是对多元合金或陶瓷粉末,不会因为组元间物理性能的差异导致纳米粉末成分与靶材有很大差别；(5)制备的液相金属纳米粒子非常稳定,可保持长达6个月的时间；(6)金属纳米粒子的尺寸和性质具有很好的重复性；(7)采用Nd : YAG激光,其脉冲峰值功率高,可以把原子或团簇从金属材料上轰击出来,便于人工控制工艺条件来获得不同纳米尺度的金属粒子。 在制备纳米薄膜时，烧蚀技术所表现出的特性如下：(1)靶材广泛,几乎所有的固体、粉末、凝胶等材料都可以作靶材；(2)很适合于绝缘材料制造薄膜；(3)尤其适合于难熔材料制造薄膜；(4)能够沉积质量很高的纳米薄膜；(5)需要的样品少；(6)几乎不需要对靶材进行实验前处理；(7)通过控制实验参数,很容易实现等成分沉积、多晶、单晶薄膜沉积、晶体的定向生长；(8)制备时引入监测、控制和分析装置从而利于研究烧蚀过程的动力学和成膜机制。(9)适用范围广，设备简单，易操作、控制且效率高，灵活性大。 激光烧蚀技术在制备纳米材料方面所具有的优越性是不容质疑的，然而由于它是一种新生技术，同样也存在一些有待解决的问题：(1)对相当多的材料,制备的材料中有熔融小颗粒或靶材碎片,这是在激光引起的爆炸过程中喷溅出来的,这些颗粒的存在大大降低了制备的材料质量,事实上,这是激光烧蚀迫切需要解决的关键问题；(2)限于目前商品激光器的输出能量,尚未有实验证明激光技术用于大面积制备的可行性,但这在理论上是可行的；(3)平均制备速率较慢,对于制备大量的纳米材料就存在着技术上的问题，即烧蚀过程中的分散性问题；(4)鉴于激光烧蚀技术设备的成本和沉积规模,目前它只适用于传感器技术、微电子技术、光学技术等高技术领域及新材料薄膜开发研制。三、脉冲激光烧蚀技术的研究现状 早在1963年，人们对激光进行镀膜的最初概念就已经形成，到了1965年，就有科学家成功地用激光制备了光学薄膜。然而在80年代初，人们只是用近红外波段激光来制取薄膜，并且发现这与电子束蒸发镀膜很相似，没有多大的优越性。直到1987年后，有关学者发现用脉冲激光沉积的薄膜质量很高，于是脉冲激光烧蚀制备纳米材料技术获得了迅速的发展。迄今为止，按照激光的脉宽来分，脉冲激光烧蚀大致经历了三个阶段：纳秒激光烧蚀、皮秒激光烧蚀和飞秒激光烧蚀。3.1、纳秒激光烧蚀(Nanosecond laser ablation) 纳秒激光烧蚀是以脉宽为10-910-10s的激光作为光源。它是激光烧蚀的初级阶段。早在1987年，Dijkkamp等人就利用纳秒激光烧蚀技术成功的沉积出高质量的高温超导薄膜9。而我国也相当重视激光纳米技术的研究，复旦大学吴凌晖教授等人在1994年通过时空分辨发射光谱方法来研究纳秒激光烧蚀钛靶过程产生的等离子体羽，并讨论了钛原子和一价离子密度的时间分布和演化以及激光参数的影响10。进入21世纪，有关纳秒激光烧蚀的研究也愈来愈多。2002年，W.Mroz等人通过使用一种脉宽为20纳秒的KrF激光烧蚀铝和镍铝合金来制备金属间的涂层，同时揭示了沉积层的厚度取决于感光底层温度和离子能量以及沉积层的化学计量的结果分析和形态学检查11。同年，Alex A. Puretzky等人由原处分光镜的诊断学提出纳秒激光烧蚀合成有关单壁碳纳米电子管的三个重要问题：在烧蚀后各种时间及扩散羽辉体内纳米粒子温度的测定，羽辉体内纳米粒子团聚的监测，单壁碳纳米电子管成长率的测量12。最近，由于有机高聚物薄膜的特性受到人们的重视，因此有学者就开始研究制备它的方法。2004年，宋仁国教授等人采用脉宽为10ns的激光烧蚀技术在1,1,3,3-四苯基-1,3-二硅环丁烷（TPDC）单体薄膜表面上沉积了铂、铜、银等各种金属纳米粒子，然后在电炉中进行低温热聚合反应，成功地制备出了新型有机硅聚合物聚二苯基硅亚甲基硅烷（PDPhSM）基纳米复合薄膜。结果表明，铂、铜、银等各种金属纳米粒子能够有效地使TPDC发生聚合反应，且聚合效率与纳米粒子的尺寸、种类等有很强的相关性13。3.2、皮秒激光烧蚀(Picosecond laser ablation) 皮秒激光烧蚀是以脉宽为10-1110-12s的激光作为光源。随着对激光领域的深入研究，激光脉冲的时域宽度变得越来越短，脉冲激光的损伤阀值是随脉宽下降而明显减少。纳秒激光烧蚀后不久便出现了皮秒激光烧蚀，到了皮秒量级，损伤阀值下降速率变缓且变得更精确。皮秒脉宽之短足以避免能量发生热扩散并到达这些烧蚀临界过程所需要的峰值能量密度，这对制备纳米材料是很有帮助的。1990年，W.Marine等人介绍了通过皮秒Nd:YAG激光器来烧蚀加工非晶硅标靶，并由时空分辨来表征激光诱发等离子体扩充，从而得出所沉积薄膜的结构与活性离子出现有关14。1992年，他们测量了皮秒激光烧蚀期间的烧蚀粒子的速率，其实验的结果支持了激光诱发等离子体的库仑扩充机制15。1997年，我国中物院的冯杰教授等人给出了准稳态情况下皮秒激光烧蚀碳氢靶的实验结果，并与理论定标关系进行对比16。同年，T.V.Kononenoko等在各种大气下(真空、空气和氩气)，使用紫外光、可见光、红外光皮秒和纳秒激光脉冲对陶瓷、钢和铝的化合物进行烧蚀测试，讨论了激光烧蚀过程中的各种波长、脉宽和气氛的特性，尤其是比较了皮秒和纳秒之间的激光烧蚀效率17。2003年，Lumera Laser展示了首台具有较高平均功率（10W）、良好的光束质量(M21.5)、较低的脉宽(12ps)和较高的脉冲能量输出(100J)且频率高达100KHz的激光器Staccato。这类激光足以使任何材料在直径150m左右的标靶区达到烧蚀临界点，且为以后的皮秒激光烧蚀研究提供了更优异的光源。2004年，N.N.Nedialkov等工作者使用钛：石墨激光在脉宽为0.1ps时研究了铁的激光烧蚀，并与理论进行比较，发现两者有很好的一致性18。3.3、飞秒激光烧蚀(Femtosecond laser ablation) 飞秒激光烧蚀是以脉宽为10-15s的激光作为光源，当激光脉冲的时域宽度被压缩的越来越短时，到了飞秒量级，损伤阀值就基本上不变了，且变得很精确。由于飞秒脉冲激光的超高速和超高强度的特征，使得它在烧蚀过程中有独特的优越性19。20世纪90年代初，飞秒激光技术开始应用，同时，一些有关它的研究也相继问世。1999年，M. Weingrtner等人分别将硅(1 0 0)表面暴露在脉宽为8ns和100fs且强度3J/cm2和0.5J/cm2的激光脉冲，同时通过脉冲光电子显微镜和扫描电子脉冲光干涉显微镜来观察其瞬时进展和最后模式，从而发现脉冲烧蚀的硅模式是有差异的20。2000年，Masayuki Okoshi及其同伴通过脉宽为130fs的飞秒激光烧蚀冻结丙酮标靶来沉积类菱形碳薄膜，在室温真空下由Raman光谱等来鉴别此薄膜，并且比较了冻结丙酮、冻结甲醇和石墨标靶中产生的羽辉体21。2001年，Kazue Ozono等人利用强烈的飞秒激光(150fs,790nm,1kpps)特点中精确而高速的烧蚀来蚀刻六边形氮化镓，因而得到在烧蚀初期时其蚀刻率小于5nm/pulse，在强度为2.2J/cm2时每秒的蚀刻率为25m/s，同时还发现飞秒激光蚀刻由于非热烧蚀而保持了烧蚀表面完整性22。2002年，K. Venkatakrishnan等人使用了中心波长为400nm，脉宽为150fs及重复率为1kHz的脉冲激光来烧蚀1000nm厚度的金薄膜，同时发现式样在烧蚀期间是以400m/s的线性速度传输的。并且在此过程中，他们得出了两种烧蚀现象：开口很细而边缘无熔铸材料和出现熔铸材料且边缘受到污染23。随着飞秒烧蚀技术愈来愈成熟时，人们也开始关注它所制备材料的一些应用。2003年，F. Garrelie等人就通过飞秒激光烧蚀沉积坚硬而抗磨蚀的类菱形碳薄膜，并研究了其特性和摩擦学应用24。2004年，A.S.Loir等人在认识到由飞秒激光烧蚀沉积四面体菱形碳薄膜的特性后，研究了将其应用在髋关节上，并发现此薄膜的特性能很好的满足生物医学的要求25。总之，脉冲激光烧蚀技术的应用是以脉冲激光烧蚀机理及理论研究为基础。其应用领域十分广泛。据估计，目前的薄膜材料就有一半以上是用烧蚀技术沉积而成的。同时该技术也成功地应用于金属、半导体和绝缘材料的钻孔、切割及蚀刻等。四、脉冲激光烧蚀技术的发展前景 脉冲激光烧蚀技术从二十世纪60年代到二十一世纪初期，在这短短几十年里，发展迅速。就目前形势看，烧蚀技术将会朝着两个大方向发展：1、脉冲激光烧蚀技术本身的发展；2、脉冲激光烧蚀技术与其它技术的结合。 目前，脉冲激光烧蚀技术的应用越来越广泛，尤其在沉积薄膜技术方面。该技术可以用于高温超导薄膜、铁电薄膜、光电薄膜、半导体薄膜、金属、超硬材料薄膜等的制备和研究。目前,该技术的产业化目标被提上日程,其今后的发展方向是：超短脉冲；更高峰值功率、多脉冲以及与其它技术相结合。4.1、脉冲激光烧蚀技术本身的发展前景 激光脉宽的不断缩短和单脉冲峰值功率的不断提高,这都得益于增益介质的发现、啁啾脉冲放大技术的引入和光纤脉冲压缩技术26-27。如今，高功率超短脉冲激光系统输出的激光，其脉宽达到几个阿秒，峰值功率可以达到太瓦(1012瓦)甚至拍瓦量级(1015瓦)或者更高，聚焦功率密度为1020 W/cm2,甚至可达到1021W/cm2,相应的电场比原子内库仑场强得多。高功率阿秒脉冲激光是脉宽为10-18s的激光，它是人类目前在实验条件许可下所能获得的最短脉冲，且具有瞬时功率极高、聚焦能力极强等特性。在2002年，奥地利和德国的科学家第一次成功用阿秒激光来测量氪原子被X光激发后，电子随时间的跃迁过程，因此具有特殊的意义。在此基础上，人们也渐渐地对于高功率阿秒激光脉冲开始感兴趣。我国的科学家们也加入了此行列的研发，中科院的曾志男等人提出了采用双脉冲机理来产生阿秒脉冲的方法。研究发现采用双脉冲不仅可以产生单个的阿秒脉冲，从而突破目前产生阿秒脉冲的驱动源(几个飞秒的超短激光脉冲)的能量限制,而且在相同的峰值强度下，双脉冲能够产生强度更高的阿秒脉冲28。然而，至今研究者们大部分在研究高功率阿秒激光脉冲技术的一些性质29，而有关该技术的应用研究报道却很少。不过，众所周知，在制备纳米材料方面，高功率超短(飞秒)脉冲激光烧蚀技术不仅可以抑制大颗粒的产生而且具有重复率高，可以快速扫过多个靶材得到复杂组分的连续薄膜,制膜效率较高等具有独特的性质30。因此，随着时间的推移，高功率阿秒激光烧蚀技术将会成为科技工作者们研究的焦点。同时，人们也会不断的探索更高功率且脉宽达到比阿秒更快的脉冲激光烧蚀技术以求得更好的商业化进程。 至今为止，对激光烧蚀的研究大都是针对单脉冲的烧蚀结果和机制，而多脉冲的烧蚀研究早已进行但未受重视。然而，如上所述，当激光单脉冲的时域宽度被压缩到飞秒量级时，其损伤阀值就基本上不变了。而飞秒多脉冲激光烧蚀特性和结果与单脉冲有很大的差异，两者最主要的区别即飞秒多脉冲激光烧蚀能够再一次降低损伤阀值31。因此，关于高功率超短多脉冲激光烧蚀就很值得研究了。4.2、脉冲激光烧蚀技术与其它技术的结合 首先，我们知道脉冲激光烧蚀技术是最近几十年兴起的高新技术，尤其在制备纳米材料方面有着绝对的优势。然而，脉冲激光烧蚀技术的高速全面发展是与其它技术的发展有着很大的关联。例如一些包括透射电镜，扫描电镜，X射线衍射分析和原子力显微镜等技术观察方法，它们的出现使得科技工作者能够全面仔细地研究脉冲激光烧蚀后所制备的纳米材料等，并进一步比较各种条件下烧蚀的性能及应用，从而使烧蚀技术最优化。随着社会的进步和科技的发展，另外一些技术也开始出现在脉冲激光烧蚀的过程中。1990年,德国的Siemroth等人首次结合脉冲激光沉积和真空弧沉积技术成功制备了类金刚石薄膜,之后又通过调节参数,制备了从类金刚石、类石墨到类玻璃态等不同类型的碳膜,该技术在合金钢、非合金钢、硬金属、铜、铝合金以及黄铜等基体表面制备高硬度、低摩擦系数和高耐磨的类金刚石薄膜,通过该技术制得的类金刚石薄膜已经可达到光学应用标准,该技术已经在工业上如钻头、切销刀具、柄式铣刀、粗切滚刀和球形环液流开关等得到了应用32。2003年，M.J.Montenegro等人通过将同步脉冲气体源与脉冲激光烧蚀沉积技术相结合即所谓的脉冲反应交叉术束激光烧蚀来制备La0.6Ca0.4CoO3的等离子体并由时空转换光学发射显微镜来分析33。2005年，N.N. Nedialkov等人提出了一种理论模型以及将其应用在描述超短激光烧蚀材料的分子动力学模拟技术。他们还讨论了激光参数对烧蚀过程的影响及烧蚀深度和烧蚀初值，并将它们与实验有用数据进行比较，发现两者有很好的一致性34。综上所述，脉冲激光烧蚀技术不断发展的过程也就是它与各种技术相结合且不断完善改进的过程，因此，这也是值得科技工作者花大量精力去探索和研究。五、结束语 自世界上第一台自锁模掺钛蓝宝石激光器研制成功至今,激光技术在短短的四十年里发展速度之快是自然科学史上极其罕见的，而脉冲激光烧蚀技术也在这期间应运而生。随着对脉冲激光烧蚀技术的进一步深入系统地研究和应用，相信在二十一世纪，高性能、高质量、高峰值功率的超短脉冲、多脉冲及与各种技术相结合的激光烧蚀技术一定会绽放出它们的光辉。参考文献1 (美)古德曼(Goodman ,J.W.),(美)罗 斯(Ross,M.)主编，激光应用散斑技术、电视唱片、激光印刷，北京:国防工业出版社，1990.2 宋仁国，陈光南，张坤.激光和电子束表面强化技术的发展及其应用.物理，2000，7:411415.3 Frank Garwe, Andrea Cski, Gunter Maubach, Andrea Steinbrck, Anja Weise, Karsten Knig and Wolfgang Fritzsche, Laser pulse energy conversion on sequence-specifically bound metal nanoparticles and its application for DNA manipulation, Medical Laser Application,2005:16.4 刘静,于旭东,林明东，激光烧蚀过程中冲量耦合系数的研究，激光杂志，2005,3:2930.5 李艳宁, 唐洁, 胡小唐, 张国雄，脉冲激光微加工技术在MEMS 中的应用，压电和声光，2005,2:185189.6 Mira Park, Byong Hyok Chon, Hyun Sun Kim, Sae Chae Jeoung, Dongho Kim,Jeoung-Ik Lee, Hye Yong Chu, Hyeong Rae Kim, Ultrafast laser ablation of indium tin oxide thin films for organic light-emitting diode application, Optics and Lasers in Engineering, 2005:19.7 J. 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