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激光微加工过程中等离子体的研究 摘要 随着微纳米流体系统的发展及其在生物技术中日益广泛的应用，微纳米尺度 的通道及空腔的制作技术在m e m s 技术的发展中有着举足轻重的作用。 微米通道的加工方法有两种：激光诱导热能法及激光诱导等离子体法。激光 诱导热能法即传统意义的激光钻孔法，通过石英基片直接吸收n d ：y a g 激光光能 的方法进行激光微钻孔，该方法通过从基片出光面开始激光加工的方法克服石英 对1 0 6 4 i - t m 波长透明的缺陷，可在石英基片内迅速地钻出各种复杂的微型通道结 构：激光诱导等离子体法是通过控制在激光加工过程中的石英等离子体的产生， 利用激光诱导等离子体的极度高能高热来对石英基片进行微钻孔，该法可加工出 内壁光滑的高质量通道。 实际在使用等离子体法加工微通道时，其加工通道的长度被限制在4 m m 范 围，严重影响了该法加工通道的使用推广。为解决此问题，本文从等离子体产生 机理入手，探索了激光诱导石英等离子体的现象。由于激光是一种电磁波，因此 本文通过对电磁波与等离子体相互作用分析的基础上，研究了等离子体的产生、 等离子体对激光的传输的影响。在加工过程中对等离子体发射光谱、动态影像进 行监测研究，通过理论计算分析得到加工过程中等离子体电子温度、密度变化的 趋势。在此基础上对微波诱导等离子体进行了类比分析研究，采用比较成熟的微 波诱导等离子体方法作为二次激发等离子体源，并且初步为可以利用微波方法来 延长等离子体存在时间，从而达到增加等离子体法加工微通道的长度。 本文研发的微米通道加工技术工艺简单、成本低廉，在原有加工技术优势的 基础上延长了加工长度，并且为等离子体控制提供了一定的理论支持。我们相信 这一微纳米通道制作的新技术将导致更多微纳米流体系统在生物技术中的应用。 关键词：激光诱导等离子体；激光微加工；动态过程研究：光谱研究。 摘要 s t u d y o nt h el a s e ri n d u c e dp l a s m ai nt h el a s e r m i c r o m a c h i n i n g a b s t r a c t t h ea b i l i t yt of a b r i c a t em i c r oa n dn a n os i z ec h a n n e l sa n dc a v i t i e s w i l lb e i m p o r t a n tf o r t h ea d v a n c e m e mo ff l u i d i cs y s t e m s t h a ta r eu s e f u lt o i m p r o v e p e r f o r m a n c ea n d t oa d dn e wf u n c t i o nt oa p p l i c a t i o n ss u c ha sc h e m i c a l ，b l o o d ，d n a ， a n de n v i r o n m e n t a ls c i e n c ea n a l y s e s t h e r ea r et w om e t h o d st of a b r i c a t em i c r oc h a n n e l s ：u s i n gaq s w i t c h e dn d ： y a gl a s e r ( 1 0 6 4 9 m ，1 0 0 2 0 0 n s ) t h em i c r o c h a n n e lw a sf a b r i c a t e db yt h et h e r m a l i n d u c e dp r o c e s sa n dt h ep l a s m a i n d u c e dp r o c e s s ，r e s p e c t i v e l y ，i nq u a r t zs u b s t m t e s t h ep l a s m a i n d u c e dp r o c e s si su s i n gt h eh i g h e re n e r g yo ft h ep l a s m ai n d u c e df r o m q u a r t zt od r i l lh o l eo nq u a r t zt h r o u g hc o n t r o l l i n gt h el i f e t i m eo f t h ep l a s m a t h el e n g t ho ft h em i c r o c h a n n e lf a b r i c a t e db yp l a s m a - i n d u c e dp r o c e s si sn o t m o r et h a n4 m m ，w h i c hr e s t r i c tt h ea p p l i c a t i o ni nm e m s t h i sd i s s e r t a t i o nw a ss t a r t e d w i t ht h em e c h a n i s mo fi n d u c e dp l a s m ap r o c e s s ，a n a l y s i st h ep h e n o m e n o no fp l a s m a i n d u c e db yn d ：y a gl a s e r t h ei m p a c tb e t w e e nt h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v ea n dt h e p l a s m aw a si n v e s t i g a t e db e c a u s et h el a s e ri saw a v e ，t h ep l a s m as p e c t r u ma n dp l a s m a i m a g e sw a sr e s e a r c h e d ，a tl a s t ，s o m er u l eo ft h ee l e c t r o nt e m p e r a t u r ea n dt h ee l e c t r o n d e n s i t yw a sf o u n d ，a n do b t a i ns o m ea v a i l a b l er e s u l t b a s e do nt h em i c r o w a v et e c h n i q u ea b o u tt h ep l a s m ai n d u c e db ym i c r o w a v e ，i t f o u n dt h em e t h o dt oi m p r o v et h el i f e t i m eo ft h ep l a s m ai nt h eh o l e ，s ot h el e n g t ho f c h a n n e lu s i n gt h ep l a s m ap r o c e s si si n c r e a s e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h el a s e r - b a s e dm i c r oa n dn a n oc h a n n e lf a b r i c a t i o nt e c h n i q u e i sf a s ta n di n e x p e n s i v e ，a n dw i l le n a b l ef l e x i b l ef a b r i c a t i o no fv a r i o u sk i n d so f3 - d m i c r of l u i d i cs y s t e m sa n dl e a dt on e wa p p l i c a t i o n so fm e m si nb i o m e d i c a l e n g i n e e r i n g i j 激光微加工过程中等离子体的研究 k e y w o r d s ：l a s e r - i n d u c e dp l a s m a ；l a s e rm i c r om a c h i n i n g ；d y n a m i c i l l i n v e s t i g a t i o n ；s p e c t r a li n v e s t i g a t i o n 激光微加工过程中等离子体的研究 第一章绪论 1 1 课题背景 微通道是截面直径尺寸小于1 毫米大于l 微米的通道。其研究背景与微机电 系统( m e m s ) 的发展是分不开的。微通道是m e m 8 研究、开发所必须的重要微结 构之一。 随着社会的不断发展，人们对生活的要求也越来越高，这势必要消耗大量的 能源，同时还必定伴随着对环境的破坏，因此现代社会的发展必须以提高效率为 方向，相应的新技术必须要比现有的系统功能更强，同时还必须消耗少的能源。微 小系统恰好是这样的一个新技术，主要包含一个小的概念，具有如下几个特点 1 ： ( 1 ) 质量和尺寸的减少； ( 2 ) 低的生产成本，这包括低的能源消耗，较少的用材； ( 3 ) 可以避免或者少用贵重的和对环境有损害的材料； ( 4 ) 易于处理和长的寿命： ( 5 ) 小而且标准的电路避免了复杂的线路和外围结构。 由于微小系统符合了人类寻求低消耗、高效率的器件和系统这一方向，因此 对它的需求也就显得十分紧追。社会的需要必须伴随着技术的不断响应才能实 现m e m s 正是伴随着硅材料及其加工技术和系统及i c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 技术的 成熟和其它微细加工技术的发展而发展的。 m e m s 的发展追踪到2 0 世纪7 0 年代，m e m s 的研究主要集中在三个方向： 微型传感器( m i c r os e n s o r s ) ，微型执行器( m i c r oa c t u a t o r s ) 和微型系统 ( m i c r o s y s t e m s ) 。 将微型传感器、微型执行器及相关的信号处理和控制电路集成在一起，能完 成一定功能的微电子机械系统是研究的最终目标。现在市场已经使用的m e m s 器 件主要集中在压力传感器、惯性传感器、硬盘头、热堆辐射计和喷墨打印机头。 目前，m e m s 的研究和发展越来越活跃。在过去的十年中，发达国家政府部门和 私营企业在这项新兴技术上投入了大量的资金。1 9 9 8 年，各国政府用于m e m s 上的研究经费大约为6 千万美元，主要集中在美国、日本和德国。资金的投入不 仅仅表示各国对m e m s 研究的重视，更有利于该领域内各种新技术的开发。美 第章绪论 国硅谷已经出现了许多以m e m s 为开发对象的新兴公司，而在美国和日本的多所 大学则成立了以m e m s 为研究对象的实验室。 微机电系统( m e m s ) 研究的目标是要制造出能在现实空间执行各种特定任务 的微型集成机电系统。科学家开发、设计、制造出了各种各样的微机电系统装置。 例如微热交换器、喷墨喷嘴、生物流活细胞过滤器、微型传感器等。但是真正意 义上可以利用到实际工业、农业、及生活中的微机动系统均是在已经制成的微结 构的基础上装配、整合而来的。因此可以看出m e m s 的发展，是科技发展的必 然趋势之一，但是也应该注意到其发展的基础是尺寸在几毫米到几十、几百微米 或者更小到纳米级的微结构。因此微结构制造技术变的越来越重要。微加工技术 也逐渐成为热门研究课题之一 1 j 。 m e m s 是由多种技术整合而来的，微细加工技术、微通道制造技术作为微 加工技术中的一种逐渐成为m e m s 发展的基础，并且由于微通道加工技术的不 成熟使得以微通道为基础的m e m s 应用受到严重限制【2 。因此对微通道制作技 术的研究也就显得非常重要。 从应用的角度来看，m e m s 要求通道的深宽比大、密封性好、通道壁光滑 等，比如在微电泳实验中可以是细胞很好的在微通道内移动，达到预期实验效果。 目前的微加工技术( 包括：离子刻蚀、电子束刻蚀、l i g a 、激光热加工、激光 诱导等离子体、电火花等技术) 所加工得到的微通道不能同时满足以上提到的要 求。但是上述这些要求是能否实现微通道在m e m s 中利用价值的关键。本论文 旨在通过对激光微加工工程中的等离子体产生机理、等离子体与激光相互作用动 态过程、等离子体发射光谱的深入研究，解决激光诱导等离子体在加工微通道过 程中持续时间短的问题 1 2 j 。 1 2 研究主要内容 本论文从激光加工过程中激光诱导等离子体入手，对等离子体与激光相互作 用进行分析，讨论激光加工微通道过程中等离子体的动态演变，研究激光与等离 子体的相互作用过程，分析加工过程中出现的对应情况找到维持微通道内等离子 体存在的可行性方法。主要包括： 1 熟悉激光器工作原理，并将纳秒激光器应用道加工石英微米通道实验， 塔建实验设备。 激光微加工过程中等离子体的研究 2 对激光诱导等离子体演变过程进行详细分析； 3 对等离子体在微通道内突然出现消失的原因进行假设； 4 分析所提出假设与等离子体加工通道过程实验现象之间的关系； 5 提出改进假设方法并试验； 6 总结实验结果，给出合理解释和本文结果。 i 3 文章结构 本文包括三个部分： 第一部分为第一章，主要叙述本课题的提出背景及课题意义，并且解释等离 子体与微通道、激光微加工、m e m s 之间的关系。 第二部分为第二章至第七章，是本论文的主体部分，首先叙述当前该领域内 研究情况，然后提出本文的研究中心，最后介绍本课题最终的进展情况并且给出 初步结论和提出将来的研究展望。 第二章是文献综述，对激光微加工领域及其相关领域内与本课题相关的学术 成果进行了简要的总结。第三章是基础理论，讨论本论文中涉及到的等离子体基 础知识、电磁波与等离子体相互作用关系等。第四章是实验系统介绍，简单介绍 本论文实验部分使用过的主要仪器的性能参数等。第五章至第七章是对激光微加 工过程中等离子体与激光相互作用、动态变化过程以及如何改进加工质量等的分 析与讨论，是本文核心部分。第八章对本课题主要结果进行陈述，做出课题展望。 第三部分主要是本文的参考文献和论文的原创性说明等 第二章文献综述 第二章文献综述 2 1 等离子体研究现状分析 2 1 1 激光等离子体概述 等离子体是由大量带电粒子组成的非凝聚系统。等离子体状态是物质存在的 基本形态之一，与固态、液态及气态并列，称为物质第四态 删。宇宙中大部分 物质处于等离子体状态。等离子体物理学研究等离子体的基本运动规律。等离子 体的主要特征是：粒子间存在长程库仑相互作用，等离子体的运动与电磁场的运 动紧密相关，存在极其丰富的集体效应和集体运动模式。等离子体物理以等离子 体的整体形态和集体运动规律、等离子体与电磁场及其它形态物质的相互作用为 主要研究对象。等离子体具有三个重要的性质：( 1 ) 等离子体系统的空间尺度远远 大于等离子体电势的屏蔽长度：( 2 ) 德拜球内的粒子数远远大于l ；( 3 ) 系统平均 碰撞时间远远大于等离子体特征振荡周期。 按照等离子体的温度把等离子体分为低温和高温等离子体两类，当然也存在 别的分类方式。所谓“低温”等离子体主要是为了区别于受控热核聚变产生的“高 温”等离子体，其等离子体的温度要达至l j l 0 0 0 0 e v 以上，相当于l 亿摄氏度高温。 通常低温等离子体电子温度在几至几十电子伏特之间本文研究的等离子体是由 纳秒激光器射出激光，激光经聚焦后与靶材相互作用后产生材料等离子体，在大 气环境下由本实验室功率为5 0 瓦的n d ：y a g 激光器产生的等离子体我们认为是 属于低温等离子体。 激光加工微通道是一种高效精密激光微加工过程，具有加工质量高、控制灵 活等优点。激光微加工是一个极为复杂的物理化学过程，加工质量受到众多因素 的影响，并且各因素之间又存在相互作用。由于加工过程中不可避免地出现激光 诱导等离子体，并且等离子体对激光可产生折射、反射、散射和吸收作用，即改 变激光的聚焦状态，使激光加工过程更加复杂化。在实际的应用过程中还由于环 境因素的改变等，导致激光加工微通道过程成为一个多参数的时变过程。为了保 证加工质量，对激光加工微通道过程中激光等离子体的研究是必不可少的。 4 激光微加工过程中等离子体的研究 2 1 2 国内外激光等离子体研究现状 激光与等离子体相互作用属于激光与材料相互作用，在激光与材料相互作用 过程中产生等离子体。国内外对于激光与材料相互作用的机理做了不少研究。激 光与物质相互作用泛指激光束辐照各种介质、材料和结构物( 统称靶物质) 所发生 的物理、化学、生物等现象的研究领域。这里包括激光辐照产生的效应以及发生 了物理、化学变化的靶物质或周围气体对入射、透射激光束传输和吸收特性产生 的反作用。激光束入射于靶物质后发生的主要物理现象，可以归结为它的热效应 和力学效应，其主要研究内容和方向可分为：物质对激光的反射、吸收和能量转 化以及激光对材料的加热、熔化、气化和相关的力学效应及等离子体现象【0 。 激光与材料相互作用首先是从入射激光被物质反射和吸收开始的。激光束入 射于均匀、各向同性靶物质时。部分能量被周围气体( 或微粒) 和靶表面散射或反 射，进入靶物质的激光能量部分被吸收，其余部分则穿透靶物质继续传播。如果 激光能量在材料中的沉积足够强，材料表面层局部区域将产生熔融甚至气化现 象。激光引起的气化、焦化、喷射或燃烧使得材料表面发生质量迁移的现象称为 激光烧蚀。激光烧蚀域值即指固体被烧蚀时入射脉冲激光的临界能量密度或功率 密度。在高功率激光照射下，如果蒸汽粒子继续吸收光子能量。蒸汽温度持续升 高，最后导致蒸汽分子电离，形成一种高温高密度的状态即等离子体 “。 研究激光诱导等离子体特性对于了解激光与材料相互作用的机理很重要。因为激 光烧蚀在激光点火、物质分析、制膜、微加工等方面有很大的应用前景，所以国 内外关于激光烧蚀等离子体有很多研究。l a w r e n c eb e r k e l e y n a t i o n a ll a b o r a t o r y 剐 对于激光烧蚀机理做了不少研究，该实验室观测物质烧蚀的过程，拍摄了不同时 间段内等离子体的形态并通过实验证实了等离子体对激光的屏蔽作用，研究发现 烧蚀物的质量与激光的辐照度、波长、脉宽有关，但是烧蚀物的质量并不是随激 光强度的增加丽成比例增加的，从而说明在不同的条件下有不同的烧蚀机理。 在激光与固体靶相互作用研究方面有很多报道，如对激光烧蚀铝靶的等离子 体研究 删，激光等离子体产生条件等 5 l j 。李智华 5 2 等对激光烧蚀靶材等离子 体羽辉进行了动力学模拟，运用流体动力学的质量连续性、动量守恒和能量守恒 这三个基本方程研究高能脉冲照射靶材产生等离子体的物理特性，采用差分法和 p i l c h a r d 迭代法，求解带待定边界条件的流体力学三方程，得出已喷射等离子体 第二章文献综述 的温度、密度和速度的分布的迭代方程，用计算机进行了数值模拟，得出了一些 结论。胡方林 5 3 等人通过外加平行极板直流电场法研究激光烧蚀铝靶等离子体 中的离子特性，对激光与固体靶相互作用机理有了一定的认识。安徽等离子体所 2 9 、大连理工大学宫野 3 1 等在等离子体理论计算方面做了很的工作，为激光诱 导等离子体提供理论基础。 激光诱导等离子体在激光微加工方面的应用还比较少，秦水介 2 j 等在2 0 0 2 年提出把激光诱导等离子体应用在激光微加工过程中，并且成功加工得到了通道 直径在几十至几百微米量级的微通道 2 1 3 等离子体诊断方法 等离子体诊断是一件非常重要的工作，它对优化等离子体工艺，了解各种等 离子体发生机理，确定特定等离子体的参数都起着决定性作用。等离子体由于具 有温度高的特点，因此在研究等离子体方面不能采用常规的仪器进行监测，实验 中一般对其采取间接检测的方法，包括探针法，光谱法，质谱法等。 1 探针方法 简单地说，在等离子体中插入一金属探针，通过在探针上加一扫描电压，测 量探针的i - v 曲线，仔细分析该曲线，可以获得等离子体有关电子温度、等离子 体密度、等离子体电位、电子能量分布等信息探针诊断相对来说比较容易实施， 几乎成了一种标准的和常规的诊断方法。其他诊断方法的结果，只要可能，也经 常要与探针的结果进行比较 8 。 2 光谱方法 在等离子体中存在着大量的激发态粒子，有些激发态粒子在退激发的过程中会 发射光子。光子的能量与该粒子的种类以及所涉及的能级有关。通过探测这些光 子的光谱，可以判断等离子体中存在的物质种类及其所处的状态。 如果假定等离子体处于局域热力学平衡状态，则从同一元素的不同上能级跃 迁的两条光谱线的强度之比与等离子体中的电子温度有如下的关系： 灯2 面孝男寿而 1 ) l i l ( g 。厂。，旷) 7 其中i ，九，g 和f 分别表示：对应于上能级能量为e 的谱线的强度，谱线的波 激光微加工过程中等离子体的研究 长，该谱线对应的下能级的统计权重和吸收振子强度。右上角带撇的字母代表另 一谱线的对应参数，谱线强度可以通过实验获得，其他参数通常可以从文献或手 册中查到。利用这一关系可以通过对某些特征谱线的测量来获得该等离子体中电 子温度的数值在利用光谱进行等离子体诊断的方法中，还应该提到吸收光谱和 激光诱导荧光光谱方法。虽然这两种方法在国内已有人在做，但是鲜有报道 1 0 - 1 2 j 。 3 质谱方法 质谱方法获得的结果比较直观，可以直接探测等离子体中存在的粒子的种类 和电离状态。国内王友年等在理论和数值模拟上做了许多工作。 2 2 激光微加工 为适应2 l 世纪高新技术的产业化、满足微观制造的需要，研究和开发高性 能激光源势在必行。作为激光加工的一个分支，激光微加工在过去十年被广泛关 注。其中一个很重要的原因是不断涌现的工业需求。在微电子加工中，半导体层 的穿孔、寄存器的剪切和电路修复都用到激光微加工技术。激光微加工一般所指 加工尺寸在几个到几百微米的工艺过程。激光脉冲的宽度在飞秒( f s ) 到纳秒 ( n s ) 之间。激光波长从远红外到x 射线的很宽波段范围。目前主要应用于微电 子、微机械和微光学加工三大领域【1 3 l 。 激光微加工技术在设备制造业、汽车以及航空精密制造业和各种微细加工业 中可用激光进行切割、钻孔、雕刻、划线、热渗透、焊接等，如2 0 多微米大小 的喷墨打印机的喷墨口的加工。利用诸如微压型、打磨抛光等激光表面处理技术 来加工多种微型光学元件，也可通过诸如激光填充多孔玻璃，玻璃陶瓷的非晶化 来改变组织结构，然后，通过调和外部机械力，再在软化阶段依靠等离子体辅助 进行微成形来加工微光学元件 1 4 。 4 2 2 1m e m s 技术 随着微纳米科学与技术的发展，以形状尺寸微小或操作尺寸极小为特征的 微电子机械系统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s 简称m e m s ) ，已经成为人们 在微观领域认识和改造客观世界的一项高新技术，在航空航天、精密机械、生物 医学等领域有着广泛的应用潜力，成为纳米技术研究的重要手段，因而受到各国 第二章文献综述 的高度重视1 1 5 。 在我国，髓m s 的研究也逐渐得到重视。科技部、国防科工委、国家自然科学 基金委等部门将其列为重点发展项目。我国的m e m s 起步于1 9 8 9 年。l o 多年来，国 家自然科学基金委员会、科技部、教育部、中国科学院、总装备部和地方成立了 1 0 余项与m e m s 相关的重点和重大课题，总投资超过i 亿元人民币 1 6 。我国的整 体形式是面上正逐渐铺开，深度也逐步深入，但由于起步较晚，面临技术基础和 资金支持的问题，在研究规模、技术水平上还与先进国家存在差距 2 2 2 脉冲激光在m e m s 中的应用 由于激光具有方向性好，高能量和单色性好等一系列优点，自六十年代问世 以来，就受到科研领域的高度重视，推动了诸多领域的迅猛发展，尤其是激光在 加工领域中的应用。传统的激光加工机在工业产品中，已得到了广泛应用，近年 来在激光微加工方面也受到广泛重视f l i 。 激光微加工对生产具有小孔或细小沟槽结构复杂的电子器件、医疗和汽车制 品有重大意义。因为这类产品孔的直径和沟槽尺寸越来越小，而这些尺寸的公差 越来越严格。只有激光才能满足对微加工零件提出的从1um 到i m m 的所有要求。 激光加工热作用区域小，可以准确地控制加工范围和深度，保证高的重复性，良 好边缘和广泛的通用性 2 3 。 在微系统制造中，人们广泛采用硅各向异性刻蚀和l i g a 技术加工各种微型 结构。前者适合加工硅的二维结构和小深宽比的三维结构；后者能够加工精密的 三维结构，不仅适用于硅而且也适用于加工金属、塑料和陶瓷。然而这种技术要 求的条件比较苛刻，它需要同步辐射x 射线源，而且模的制作也很复杂，因此很 难普及。还有一点也必须指出，l i g a 工艺与i c 不兼容，这在一定程度上限制了 它的使用。 9 0 年代初发展起来的激光微加工工艺既能加工出较为复杂的微型结构，且 所要求的条件又不那么苛刻，在实验室和工厂较容易实现 2 4 。 2 2 3 激光加工微通道 随着激光加工技术的快速发展，其应用领域也越来越广，加工形式多种多样 激光微加工过程中等离子体的研究 就其本质而言，激光加工实质上是激光与材料( 包括金属和非金属) 的相互作用。 从这一点出发，激光加工技术主要可以分为以下几个大的方面：激光材料表面工 程、激光材料去除过程、激光材料连接过程以及其它激光加工技术等 2 5 - 2 8 。 激光打孔是最早达到实用化的激光加工技术，也是激光加工技术的重要应用 领域之一。如前所述，激光束是亮度极高、空间相干性很好、时间特性可控的光 束，它以极小的发散角在空间传输。一般用于打孔的激光束发散角为几个毫弧度。 经过光学系统聚焦后，激光束即可作为一个高强热源对材料进行加工处理。在材 料被加热到它的熔点或沸点后，就可以实现在材料上打孔的过程。由于激光打孔 是一种去除蒸发型和非接触式的加工过程，它消除了常规机械打孔带来的残渣和 工具的磨损，因此符合环境保护的要求。而且激光加工的互相作用时间短，对被 加工材料的氧化、变形、热影响区小，不需要特别的保护。此外，激光打孔加工 方式灵活，不仅能在平面上打孑l ，而且也能由于三维空间打孔，甚至可以加工异 形孔。 通过激光打孔技术，可以在石英透明材料上制作出直径几十微米的微通道。 微通道是m e m s 发展必须的一种微结构之一，脉冲激光直接加工艇m s 器件中最成功 的例子是喷墨打印头的加工。直径在几十微米到几百微米的通道或者通孔在利用 常规加工方法加工时受到了限制。利用n d ：y a g 激光，通过将材料加热到熔点且 对材料汽化，最终达到微细加工，在材料上形成一定长度的通孔。 激光打孔可以利用普图纳秒脉冲激光器也可以使用超短脉冲激光器。在石英 等透明物质上打孔时由于透明材料为脆性材料，长脉冲激光加热产生的热应力使 之在损伤的同时发生破裂并有碎片飞出，故无法进行加工，而超短脉冲激光产生 的热影响区很小，所以可进行精加工。京都大学的k h i r a o 等人将波长为8 1 0 h m 、 脉宽为1 2 0 f s 、脉冲重复率为2 0 0 k h z 的锁模钛蓝宝石激光经2 0 倍的显微物镜聚焦 到掺锗石英玻璃中，通过非线性多光子吸收机制，聚焦区物质结构由玻璃态向结 晶态转变，将焦点沿平行光轴方向移动，即可在掺锗石英玻璃体内绘制微米级折 射率变化的线。但是超短脉冲激光器价格高昂、技术掌握难，普通纳秒激光器价 格适中，容易掌握加工技术，因此开辟纳秒脉冲激光加工微通道显的很有实际意 义。 第二章文献综述 2 3 本章小结 由上述分析可以看出，激光加工微通道是m e m s 技术的关键技术之一，m e m s 技术的发展离不开激光微加工技术的发展，激光打孔是激光加工技术之一，在生 产实践中被广泛采用，是制造微通道的相对有优势的技术，在生产实际中被广泛 使用。等离子体是自然界广泛存在的一种物质形态，也被科学界关注，在理论上 取得了很多丰硕的成果，然而激光微加工过程中伴随产生的等离子体一激光等离 子体对激光加工的影响如何呢? 是否可以控制等离子体与物质相互作用过程? 在这些方面现在的报道还不很多，很多问题还不是很清楚，然而在利用激光进行 打孔或者其他微加工时，等离子体的出现是不可避免的，而且现在的实验现象已 经发现等离子体对激光加工肯定存在很大的影响，所以解决激光诱导等离子体与 物质相互作用过程中的一些问题就是优化激光加工过程不可逾越的一步，因此对 激光加工微通道过程进行详细分析研究将有助于提高激光加工技术，同时也对 m e m s 的发展起到一定的推动作用。 我们通过实验的方法希望解决以下问题： 掌握等离子体演变过的动态过程细节：等离子体与材料间的相互作用是怎样 的；等离子体对激光能量的吸收情况如何；等离子体在n i 深度变大时为何突然 消失；如何解决消失问题。 尽管激光等离子体的研究已经有几十年的历史，但是国内在激光打i l 过程中 的等离子体现象这个具体领域的研究还比较少，激光与物质相互作用的研究大多 集中在核物理、激光切割、激光焊接等中。激光加工微通道过程中等离子体的研 究是旧问题上的新课题。 激光微加工过程中等离子体的研究 第三章基础理论 等离子体的一些特殊性质是影响等离子体加工工程的关键因素，本章中把激光 诱导等离子体加工通道的过程看成是较为简单的等离子体与电磁波相互作用的过 程。等离子体的研究领域很广，涉及到很多等离子体的专业知识，本章介绍本论 文中用到的与等离子体相关的知识。 3 1 等离子体基础知识介绍 通常称等离子体是“物质的第四态”，它是由许多可流动的带电粒子组成的体 系。在日常生活中很难接触到等离子体，原因是在正常情况下物质是以固态、液 态及气态形式存在的。 等离子体的状态主要取决于它的化学成分、粒子密度和粒子温度等物理化学 参量，其中粒子的密度和温度是等离子体的两个最基本的参量。描述等离子体的 密度参数和温度参数主要有：电子的密度n 。和温度t 。、离子的密度n 和温度t ；以 及中性粒子的密度n 。和温度t 。在一般情况下，为了保证等离子体的宏观电中 性，要求等离子体处在平衡状态时，电子密度近似地等于离子密度n 。“n = n 。 可以用电离度 3 0 】 月= ! ( 3 - 1 ) e+ng 这个物理参量来描述等离子体的电离程度。 等离子体在宏观上呈电中性。但如果受到某种扰动，其内部将会出现局域电 荷空间分离，产生电场。如在等离子体中放入一带正电量q 的小球，由于该电荷 的静电场的作用，它将对等离子体中的电子进行吸引，而对离子进行排斥。这样， 在它的周围将形成一个带负电的球状“电子云”。这时，带电小球在等离子体中产 生的静电势不再是一简单的裸库仑势，而是屏蔽的库仑势： 俐= 导e x pr 一 dj ( 3 2 ) 其中 ( 3 - 3 ) k 为德拜屏蔽长度。可见电子云对带电小球产生的库仑势( 或场) 起着屏蔽作用 第三章理论基础 这种现象被称为等离子体的德拜屏蔽 3 。德拜屏蔽长度是等离子体的一个重要物 理参量。为了保证一个带电粒子系统是一个等离子体，通常要求其空间尺度l 要 远大于德拜屏蔽长度，即：l 2 d 等离子体另一个特性是其振荡性。一般地，处于平衡状态的等离子体在宏观 上其密度分布是均匀的，但从微观上看，其密度分布是有涨落的，且这种密度涨 落具有振荡性。为了说明等离子体密度涨落的振荡性，不妨可以假设等离子体是 仅由电子和离子组成的。由于离子的质量较重，可以看成离子是不动的，构成均 匀分布的正电荷的本底。如果在某点电子的密度突然受到扰动，相对正电荷的离 子本底有一个移动，造成电荷空间分离。但这种电荷空间分离不能继续进行下去， 因为库仑力的作用将试图把电子拉回到其原来的平衡位置，以保持等离子体的电 中性。然而，由于电子具有惯性，它们到达平衡位置时并不能停止下来，而是朝 另一个方向继续运动，造成新的电荷空间分离。这样一来，库仑力又要试图把它 们拉回到平衡位置，依此下去，这种现象被称为等离子体的振荡，并且等离子体 的振荡频率为e 3 0 。：塑! q 、m 。 ( 3 - 4 ) 实际上，上面我们讨论的是等离子体中的电子密度的振荡性。由于离子的质量远 大于电子的质量，因此离子的振荡频率相对很小。所以，通常讲等离子体的振荡 实际上就是指电子的振荡。 ( o 是等离子体的另一个重要的物理量。等离子体电中性条件要求：等离子体 放电的特征时间尺度t 要远大于等离子体的振荡周期 r = i 0 9 。 ( 3 - 5 ) 最后，我们关注一下等离子体中的鞘层现象。考虑一等离子体在初始时刻整 体上处于准电中性状态。如果在等离子体中悬浮一个不导电的绝缘基板，那么等 离子体中的电子和离子都会朝着基板随机地运动，如图3 1 。单位时间内，到达基 板上的平均粒子数正比于粒子的热速度。由于电子的热速度 v t = 4 k 口r , m 。 ( 3 6 ) 远大于离子的热速度 激光微加工过程中等离子体的研究 v t , = 拈b t i f m i t 3 - 因此单位时间内到达基板上的电子数要远大于离子的个数。到达表面上的电子除 一部分与离子复合外，还将剩余一部分，从而在基板上出现净负电荷积累，即基 板表面相对等离子体区呈负电势。该负电势将排斥向表面运动的后续电子，同时 吸引正离子。直到基体表面的负电势达到某个确定的值使离子流与电予流相等时 为止。显然，由于基体表面呈负电势，那么在基体表面与等离子体交界处形成一 个由正离子构成的空间电荷层，也就是离子鞘层。可以证明：在这种情况下，基 板上的电势为 v o = ( k b t j 2 e ) l n 2 ，r m ( 1 + 互r ) l m ，】 ( 3 - 8 ) 实际上，不仅是悬浮的基板，凡是与等离子体交界的任何绝缘性物体，包括放电 室的器壁、电极等，都会在其表面附近形成一离子鞘层。 v o 鞘层区等离子体区 丘嗡 离子 x 图3 1 等离子体鞘层形成示意图 等离子体以上三种特性将在激光诱导等离子体过程中起着主要作用，当激光 入射时激光被物质吸收，但是吸收多少，吸收程度，快慢却受等离子体德拜长度 影响，当等离子体密度增加时，等离子体屏蔽增加，趋肤深度减小。这样等离子 体使激光加工变缓。但是等离子体内部粒子浓度也是不稳定的，处于振荡状态， 因此等离子体与激光的相互作用表现不稳定，最直观的现象就是观察到的等离子 体影像是忽明忽暗，忽大忽小，忽强忽弱等。另一相关的现象是等离子体内部温 度的分布是非线性壳层的。 首先分析德拜长度，由公式 3 0 ( 3 3 ) 及等离子体存在条件可以得到，等离子体 温度升高德拜长度增加，此时要维持等离子体存在就得使等离子体体积增加，随 之等离子体温度就会有下降趋势，因此这是个动态平衡的过程。体积的增加若不 能限制在某一特定范围内，则会无限扩展下去，等离子体温度会下降，等离子体 的高温特性不能维持则作为加工的意义已经消失，因此会发现有等离子体的熄灭 第三章理论基础 现象，即等离子体加工出现停止现象。 从扰动的角度考虑等离子体的作用过程，等离子体内部存在振荡，对加工过 程的稳定性存在定的影响，加工的微通道经常发现在中间阶段以后才出现比较 光滑的通道壁，初步认为等离子体的不稳定性降低了光滑程度。 在加工的后期，经试验发现无论把加工电流提高多高，对等离子体温度的影 响不是很大，考虑等离子体被通道束缚的情况下不能继续膨胀而引起变化，等离 子体的鞘层也会起到对等离子体一定的屏蔽作用。 3 2 电磁波与等离子体相互作用 激光入射到等离子体中时，将发生强烈的相互作用，等离子体将显著地吸收 入射的激光而继续受热。当等离子体被激光加热，温度升高到足够的程度时，等 离子体中将出现电子热传导。这时，等离子体中的温度、密度和等离子体速度将 出现再分布，等离子体中电子和离子的平衡态被严重打乱，离子温度将远低于电 子温度。随着激光束继续不断地被等离子体吸收，等离子体的平均温度仍将随激 光作用的时间变化而改变。本节将从等离子体与电磁波相互作用角度探讨激光微 加工过程中等离子体对激光能量的吸收、反射、散射等情况。 3 2 1 电磁波在等离子体中的传播 由于激光是一种电磁波，因此研究电磁波在等离子体中的传播，对于探索激 光微加工过程中产生的等离子体对激光传输的影响，就显得特别必要。介电常数 和折射率对等离子体与激光的相互作用有重要影响，由此入手对等离子体与电磁 波相互作用进行分析。 从原子物理学可知，物质原子在受到激光辐射场的作用下产生介质极化，物 质对辐射场的反作用导致物质对激光辐射的色散和吸收。这对等离子体也不例外。 若折射率为复数，意味着要吸收激光辐射，其虚部表示对激光的吸收，而实部说 明激光的色散。由于激光与等离子体的相互作用涉及许多非线性现象，下面将从 电磁波的麦克斯韦方程及等离子体的色散关系着手研究等离子体与激光束的作用 问题。 等离子体中的麦克斯韦方程为： 激光微加工过程中等离子体的研究 v e = - 警 v 日= o 警+ ， v e ：红 s 0 v b = 0 ( 3 9 ) ( 3 - l o ) ( 3 - 1 1 ) ( 3 - 1 2 ) 式中b = p o h ( 为自由空间的磁导率) 。由电荷的连续性方程得 挈+ v j i ，- j 3 ) 研。 w 式中j 为电流密度，可通过电导率张量d 与电场强度联系起来。由欧姆定律得 引入介电张量 以妨= 仃( 回e ( 妨 s = 1 + 一生 z s 0 ( 3 - 1 4 ) ( 3 q s ) 并假设平面电磁波的电场e 和磁场b 的时空变化关系为衄“一( k 为波矢) 则( 3 - 9 ) ( 3 - 1 2 ) 可化为以下 所以有 v x e = 一硒肛o h v 曰= m so e v b = 0 v ( 切= 0 ( 3 - 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) ( 3 q 8 、 ( 3 - 1 9 ) v ( v e ) = , uo s o 2 8 e = ( ) 2 s e ( 3 2 0 ) 式中c = ( 。e 。) 叫为自由空间中的光速。由于e 和b 的时空关系为e l ( o r - k t ) 、因此( 3 2 0 ) 可以转化为 k ( 世e ) + ( 詈) 2 - e = 0 ( 3 - 2 1 ) ，(、l ，、i 第三章理论基础 这就是等离子体中电磁波的传播方程。总的说来是为一张量，在各向同性介质 中为一标量，下面就是用标量表示，其他做类似处理。( 3 2 1 ) 有非零届的条件为 ( 3 - 2 1 ) 可以在平面波简化为： k 2 ：垦垂s c 一 篡 在等离子体中由于正离子的质量要比电子的大得多 小得多。为简化起见，不考虑正离子对电流的贡献 j = 一n 。e u 。 ( 3 2 2 ) ( 3 - 2 3 ) ( 3 2 4 ) 而且运动速度也要比电子的 得到 ( 3 2 5 ) 式中1 1 。为电子的数密度：u 。为电子的运动速度。假设忽略电子与正离子之间的碰 撞及其他受力，得电子的运动方程为： e鲁一晒(3-26)m ei 产2 一e 也 解的 ，= 岳e ( 3 _ 2 7 ) 所以s ：l 一竺牟 ( 3 2 s ) 其中：= 景岳 ( 3 2 9 ) 它是等离子体中由于扰动出现局部偏离电中性时电子的自然振荡频率，是等离子 体的一个十分重要的参量。 非零解条件f = 等s 在横波情况下有： k 2 c 2 = 毛= 2 一乙 ( 3 3 0 ) 因此等离子体中，只有当激光频率c o 大于等离子体震荡口c ，激光才可以在等离子 体内传播，因此，当上述关系不成立时等离子体便对激光开始反射或者对激光的 入射起到一种屏蔽的作用。 在激光加工微通道时在加工点上方形成致密的等离子体区，激光必须穿透等离 激光微加工过程中等离子体的研究 子体后端才能到达加工前端，继续激发石英等离子体使等离子体得以维持，等离 子体作为高温高热的加工设备把与之接触的石英表面融化、气化，最终起到使等 离子体能够维持，并且在加工部位形成通道的作用。但是若在加工一定时间后等 离子体的密度升高，则使等离子体的震荡频率升高，因此。等离子体开始变得不 易透过。由 p 。 ( 3 - 3 1 ) 知，衡量电磁波在等离子体中传播的边界条件可以是电子密度的函数。对于实验 室激光器 = 2 8 2 x i 0 1 4 h z( 3 3 2 ) 因此激光传播截止电子密度是 n p = 9 7 2 1 0 2 0 ( 3 3 3 ) 3 2 2 等离子体对激光传输的影响 由于等离子体与激光束之间有着强烈的作用和耦合关系，使得等离子体对激光 打孑l 过程中的激光传输有重要的影响，主要表现在以下几个方面： ( 1 )等离子体吸收、散射入射激光能量，对激光起屏蔽作用，导致激光功率利 用率减少。 ( 2 )等离子体内部具有各种复杂的电离和复合过程，在吸收能量的同时，本身 也作为一个热源，向外辐射能量。 ( 3 )当。 c 光时，则可以考虑为激光无法透射密度过高的等离子体 而产生了反射。除了在表面反射，激光入射到内部后，在内部某一平面内也会出 现反射。但是在实际的等离子体与激光相互作用的过程中，由于等离子体的性质 随激光入射能量的变化而发生瞬变，因此真正意义上的反射是很难发生的或者发 生我们也认为是极短时间内就结束，一般出现的是散射。 散射对入射激光的能量的损失是不可忽略的，在唐霞辉等人的研究中给出了等 离子体对激光散射 = 援譬 图3 2 激光焊接过程中等离子体对激光散射图 将被散射激光经聚焦后，穿过波长为1 0 6 微米的相干滤光镜，再经光电二极管转 化为电信号。用双踪示波器同步观察入射激光及散射激光波形。得到的结果如下 图