（光学工程专业论文）水辅助紫外激光精密切割技术研究.pdf

摘要 摘要 紫外激光精密切割技术已经在微电子、激光加工、精密材料加工等领域取得 了广泛的应用。水辅助紫外激光精密切割技术是一种新型的复合加工技术。通过 将水参与到紫外激光的精密切割加工中，可以有效地改善切割质量。本文从水辅 助激光技术的几个主要方面入手，进行了针对性的实验研究： 针对传统的紫外激光切害g 铜材料时产生的热影响区比较大、熔渣比较多的问 题，提出了一种全新的水膜层辅助紫外激光切割方法，并使用此方法制备出实物 样品，获得的切割缝宽为4 5pm ，热影响区小于5 0 “m ，基本上没有熔渣。实践 证明，与传统加工方法相比，水膜层辅助紫外激光切割铜箔片，具有加工精度高、 热影响区小、加工效率高等优点，适合于各种高精度微细薄片器件的研制。 开展了紫外激光水导切割研究，搭建了紫外激光旁轴水导系统和紫外激光同 轴水导系统的实验装置，自行设计了应用于紫外激光同轴水导系统的关键部件一 一耦合喷嘴，成功地使用紫外激光同轴水导系统在金属材料上实现切割。结果证 明：与传统的干式激光相比，水导激光具有减小热影响区和降低微粒污染等优点。 与解放军总医院3 0 4 临床部全军烧伤研究所合作，开展了使用紫外激光切割 猪脱细胞真皮基质制备( p a d m ) 医用真皮替代物的研究。应用激光切割技术对p a d m 进行加工，制备出一种新型激光微孔p a d m 。研究结果表明：采用紫外激光制备微 孔p a d m 的方法，有助于减小热损伤、提高加工精度，可以获得网孔孔径大小可 调、排列整齐致密、真皮基质分布均匀的切割质量，较传统的方法具有不可比拟 的优越性。此种紫外激光制备微孔p a d m 的方法，有望替代传统的p a d m 制备方法， 成为制备临床应用真皮替代物的新选择。 关键词：紫外激光水辅助激光切割 a b s t r a c t u l t r a v i o l e tl 硒e rp r e c i s e 训n gt o c h n o l o g yh b e e i lw i d e l yl i s c di nm 柚yf i d d s ， 蛳c h 丛m i c r o c l e c 们n i c ， 1 髂e r f 曲r i c a t i o n ， 柚dm a t 斑a 1 p r e c i s em a c h i l l i n g w 址e r 舔s i s t e du l 仃a v i 0 1 e tl 勰盯p r c c i s ec u n i n gi san e w l yc m n p o l l i l dm a c h i i l i n g t e c h n o l o g y t h ec u n i n gq u a l i t yc o u l db ei m p r o v e de 俘e c t i v e l yt l l m u g ht l l em e i l l o do f j o i i lw a t e ri n t ou l t r a “o l e tl 鹪盯p r e c i s ec i l 砸n g t h ea u t l l o rf o c i l s 鼯o nm em a i n 韶p e c t so fw a t * a s s i s t e dl 嬲c f l o g y 孤dh 勰d o n cs o m er e s e a r c ht l l | u 曲 e x p e r i m e n t t h ea u t l l o rp u tf b r a r dan 哪l yw a t 昏f i l m - a s s i s t c du l t r a r v i o l e cl 嬲e r c i l 牡i n g m e t h o d ，a i m e da tt l l ep r o b l e mo ft l l eh e a t - a 行e c t e d z o n ei s 啪l a r 窖e 觚dt l l es i n t e ri s t o om u c hw h e n 砸i n gt h ec 0 1 1 1 i n o n l yu l 协w i o l e tl 嬲e fc u m n gm 就l l o d f i n a l l ym e a u t h o rm a k e ss o m es h o w p i e c e s 鲫c c e s s 缸l l yl l s i n gt h en e wm e t l l o d 。t h ew i d mo f k e r f si s4 5um t h eh e a t a f i c c t e d z o n ei sl e s sm a n5 0um t h e r ei sa l m o s tn os j n t e f 印p s u s i n gm en e w l yw a t e r - f i l m 硒s i s t e du l 协w i o l c tl 船e fc u t t i n gm e t l l o d ，w ec o u l d o b t a i nt l l e c i l m n gq 1 1 a l 毋o f 湖a l i e rh e a t - a 仃e c t e d z o n e 锄dn e a d yn os i m 盯t 量l 肌 o n l ym e d c h o o s i n gt l l es u i t a b l el 嬲盯p o w c r 姐dc u n i n gs p e 司c a i lh e l p d e c r e 勰i n gt 1 1 ek e r f 丽d ma i l dh e a t - a f t c d z o n c ，i n 渊i n gt l l ec i l 仕i n gp r e c i s i o n w a t e r - f i l i n 舔s i s t e d1 1 1 饥w i o l c tl 舔e rc u 嘶n gc o p p e rf o i lh 嬲t h em e r i t so fl l i g l lc u t t i n g p r e c i s i o i l 锄a l lh e a t - a 仃b c t e d - z o n e 觚dl l i 曲e 衢c i e n c y ，i ss i l i t a b l e 向rm a l l u f h c t u r c v a r i o l l sh i g hp r e c i s i o nm i c r ot 1 1 i nd e “c e s t h ea u t l l o rd e v e l 叩t h er e s e 缸c ho nu l 仃a “o l e tl 勰盯w a t e rj c tg u i d e du l 仃a 啊o l e t 1 嬲既而ea u t h o rd e v e l o p saw 砒口j c tp a f a 区词g i l i d c du l t r a ：、r i o i e tl 勰e rs y s t e m 锄da w a t e fj e tc o a ) 【i a lg i l i d e du 1 仃a v i o l e tl 船e rs y s t e m 粕da tl a s t 娜c c e s s 如l l yc i l t t i n gs o m e m e t a l st l l r o u g ht 1 1 el a t t 韶s y s t e l l l t h el 嬲盯e i l e r g yc a nc o u p l ei n t oa i l dt r a n 锄i tt h r o u g ht h ew a t c rj e tw h e i ll l s i n g m ep a r a x i a lm c t h o d t h ew a t e f j c ts t a b l el 吼g t hi si n r c l a d o n s l l i p 、主t l lm ei l l i l e r d i 锄e t e fo f 巧e c t i o nn o z z l e 觚dt l l ew o r k i n gv o l t a g eo fw a t e rp 啪p b u tm ec o u p i e e 衔d 吼c yo f l 嬲e r e f g yi st o ol o w t ou s et l l i sp a r a x i a lm e m i ) do nc 嘶n ga p p l i c a t i o n 1 1 1 el 勰e re i l 盯g yc 趾c o u p l ei m oa i l dn 锄s m i tm r o u g l lt l l ew a t e r j e tw h 铋l l s i n g t l l ec o a x i a lm e t l l o d ，a 1 1 dw h a ti sm o r ci m p o r t 趾t ，c 锄a c l l i e v et l l em 咖lc u n i n g c c 嚣s f l l l l y c o m p 撕n gw i mm ec o n v t i o n a ld r yl 勰e rc u 砸n gm e t l l o d ，t h ew a t e r j e t g i l i d e dl 蚓= fc 州n gm e t h o dc 柚溅“et l l e 瑚i f o 】mc i i t t i n gk 曲，n e a r l y h e a t - a f f b c t e d z o n 已a n dm ew a t e fj e t 啪d i s c h a r g et t l es l a gb r e a k e r ，w l l i c ha v o i dt l l e p a n i c l ep o l l u t i o n w ec 觚r e c e i v ct l l ec u n i n gk e 略r m r r o w e r t l l a i ll h ei 加e rd i 黜e t e ro f 白e c t i o nn o z z l e 北京丁业大学丁学硕f 。学位论文 t h ea m h o rd e v e l o p st 圭l er e s e a f c h0 nu l 仃a 们o l c tl a s e rc u m n gp o r c i n ea c e l i u l a r d e 衄a lm a 仃i x ( p a d m lt of a b r i c a t ct l 地d e r i n i sg u b s t i t u t eu s e di nm e d i c i n e u s i n g u l t r 州o l e tl 嬲e rt of a b f i c a t em em i c r op o r e 队d mc o u l da c h i e v et h cc i l t t i n gq u a l i t yo f a d j u s t a b l em 鼯h ，o r d e ra n dd e l l s ea 玎锄g e ，a l l da d e q u a t ed i s 坼b u t i o no f d 咖a lm 撕x ， w h i c hh 够t h e 啪c x a m p l e ds u p e f i o r i t yc o m p a r e dt oc o n v t i o n a lm c t l l o d c h o o s i n gt h es u i t a 【b l el 嬲盯p o w e r 越d 训n gs p c e dc a nh e l pd c c r e 髂i n gt 1 1 e t l l 锄a ld 锄a g ea 1 1 di n c r e 鹅i n gt 1 1 ef 曲r i c a t i o nq u a l i 哆 t h e n e 、v l yd e v e l o p e du l 打a v i o l c tl 嬲盯f a b r i c a t i o n 队d mi sh o p e f i l lt os u b s t i t i l t e t t 坞c o n v e l l t i o n a lm e t l l o da n db e c o m ean e wc h o i c eo ff a b r i c a i 七t l l ed 黜l i ss l l _ b s t i t u t e u s e di nm e d i c i n e k e yw o r d s ：u l t f a v i o l e tl a s 盯w a t 盯雒s i s t c dl 船e rc u t t i n g - i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：寺- 缛嗍加m g 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名鲁、) 荤导师豁m 苞心期：a u p 7 馏 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 l 。1 1 激光精密切割技术 激光由于其独有的特性：高亮度、高方向性、高单色性、高相干性，自诞生 以来，在工业加工中的应用十分广泛，深入到生产活动的各个领域，成为未来制 造系统共同的加工手段。 激光加工是利用高辐射强度的激光束，经过光学系统聚焦后，其激光束的功 率密度为1 0 4 l o ”w c m 2 ，加工工件置于激光焦点附近进行加热，是一种热加工。 加工过程中激光束与金属表面相互作用，产生相变、熔化，气化、激波等各种现 象。 激光切割按原理大致可分为汽化切割、熔化切割、氧助熔化切割和控制断裂 切割。虽然它可对不同材料进行加工，但是对不同材料的切割，机制是有区别的 【l 】 o 1 汽化切割 工件在激光束加热下升至沸点以上温度，部分材料化作蒸汽，逸去部分作为 喷出物从切割缝底部吹走。它需要1 0 唧c m 2 的高功率密度，是熔化切割机所需能 量的1 0 倍。该方法对加工不能熔化的木材、碳素和某些塑料比较合适。 2 熔化切割 激光束功率密度超过一定值时，会在工件内部蒸发，形成孔洞，然后与光束同 轴的辅助气体将孔洞周围的熔融材料驱除带走，形成缝隙。 3 氧助熔化切割 如果采用氧或其他活性气体代替熔化切割所用的惰性气体，由于热基质的点 燃，激光能外的另一种热源同时产生。这一过程比较复杂，钢铁板材大都属于这种 切割。氧助熔化切割是有两个能源切割的，在切割时要掌握激光功率和切割速度 之间的关系。 北京t 业大学t 学硕十学位论文 4 控制断裂切割 激光柬加热脆性材料的小块区域时，引起的热梯度和随之而来的严重机械变 形会导致裂缝。在这种切割中，主要应控制激光功率和光斑大小。 激光精密加工是利用高强度激光束作为热源的一种新型热加工工艺，般用 作微细加工和加工精度要求很高的加工。其激光器是各种脉冲或调q 固体激光 器，连续n d ：y a g 激光器和小功率连续c 如激光器，脉冲激光器的聚焦光斑很小， 工件加热范围小，要求加工精度和定位精度高，而且热影响区小。它与电子束、 等离子束和一般的机械加工相比较，具有许多特点。1 ： 1 激光束的激光焦点光斑小，功率密度高，能加工一些高熔点、高强度的合 金材料，也能加工如陶瓷、金刚石、玻璃之类非金属脆硬材料以及其他的一些常 规工艺难以加工的材料。 2 激光热加工是无接触加工，激光束能量可控制，移动速度可调。 3 激光热加工自动化程度高，可以用计算机进行控制，加工速度快，工效高， 可很方便地进行任何复杂形状的加工。 4 激光热加工的热影响区小，材料变形小，不需要后续工序处理。 5 可以加工微小零件，达到很高的加工精度。 6 激光可以透过玻璃加工处于真空容器内的工件及处于复杂结构内部位置 的工件。 激光精密加工技术己成功地应用于各种工业生产中：如激光微调、激光划片、 激光精密切割打孔及激光精密焊接等，是目前加工方法中最先进或不可替代的加 工手段。 1 1 2 紫外激光精密切割技术 高平均功率3 5 5 册全固态调q 激光器在微电子、激光加工、光刻技术、精密 材料加工等领域应用广泛：如在电路板加工与立体印刷方面。电路板加工要求紫 外激光在高重复频率时提供大于3 0 0pj 的脉冲能量，立体印刷技术要求的是平 均功率( 一般在o 4 1 w 之间) ，而一般的激光材料加工要求的平均功率在5 l o w 水平。 最初，紫外波段的激光主要是通过准分子激光器获得的，当然能产生紫外波 第1 币绪论 段激光的还有三、四倍频n d ：y a g 激光器等。随着半导体泵浦全固化激光器功率 的提升、器件的成熟及商品化，以及非线性频率变换效率的提高，半导体泵浦紫 外激光逐渐成为最有i ； 途的紫外光源。因为半导体( l d ) 泵浦的全固态n d ：y a g 倍频紫外光源具有效率高、高重复率、性能可靠、小型化、寿命长、较好的光束 质量及较高的功率稳定性等特点。在大多数紫外微加工应用中，只有脉冲激光器 才能达到冷熔所需要的峰值功率阂值。因此，理想的激光器应该工作在短脉冲状 态( 脉宽小于4 0 n s ) ，同时，为了提高加工效率，重复频率越高越好。各种应用 的不同需求已导致紫外激光器着重向离重复频率( 准连续) 和毫输出功率的方向 发展。 紫外光的短波长对于微加工应用有两个优越性。1 ： 1 较短的波长能够加工更小的部件。光束的衍射现象是限制加工部件最小尺 寸的主要因素，最小可达到的聚焦点的直径随着波长的增加而线性增加。 2 商能量的光子可以直接破坏材料的化学键。紫外光加工材料过程称为“光 蚀”效应，高能量的光子直接破坏材料的化学键，是“冷”处理过程，热影响区 域微乎其微；相比之下，可见光和红外激光器利用聚焦到加工部位的热量来熔化 材料，热量经过传导会影响到周围的材料，产生热影响区域。 良好的聚焦性能和冷处理两个优点结合在一起，使得紫外激光器可以加工极 其微小的部件；不仅如此，由于大多数材料都能够有效地吸收紫外光，从而使紫 外激光器有更高的灵活和更广的应用场合，可以用来加工红外和可见光激光器加 工不了的材料。 这些优越性使紫外激光器成为加工薄橡胶和塑料制品之类脆弱物质的理想 工具，也使对从金属到半导体等许多物质进行打孔、切割和在其上作精确的标记 成为可能。许多年来，波长为1 0 6 4 n m 的闪光灯泵浦n d ：y a g 激光器占据着激光标 刻市场，该激光器通过在材料表面产生热蚀来形成标记，从而不可避免的在材料 表面留下炭化区或其他形式的损伤。波长为3 5 5 咖的紫外光则通过促使塑料内部 的颜料发生光化学变化，改变内植颜料的光谱特性( 由反射改为吸收) 在材料表 面产生高对比度的标记，从而不会损伤材料表面。紫外激光器在医疗和食品器械 制造和应用方面具有很大的优越性，因为上述器械要接触食品和人体的体液，不 能允许表面破损，否则会容留细菌，而紫外加工过程不会损坏材料表面。另外， 半导体泵浦固体激光器在刻写序列字符时比准分子激光器要便利和快速的多。 北京t 业大学1 _ 学硕十学位论文 l a s e r t e c 公司开发了以其作为激光光源的高速矢量刻写系统，在刻写字母、条 形码和标志图样时，扫描速度可以超过2 0 0 0 毫米秒；在各种不同塑料上刻写速 度可超过每秒l o o 个字符。 在过去的8 1 0 年间，激光技术在微电子器件的加工中飞速发展，其中包括 在非常局限的部位去除材料。很多应用要求二极管泵浦固体紫外激光器的光束能 聚集在很小的确定点。 对集成电路封装和柔性电路中有更小的微通道的要求推动了紫外激光微通 孔加工系统的应用。事实上，钻微通孔使固体紫外激光器得以应用于诸多生产中。 l a i i l b d ap h y s i k 公司在2 0 世纪9 0 年代中期首先用c o ：激光器实现了钻微通孔， 然后实现了用灯泵浦固体紫外激光钻微通孔，因此可以说，紫外激光钻微通孔技 术的出现解决了在印刷线路板上钻微孔的问题，比如在层布式电路板上钻细小的 孔、切割和刻划聚酰亚胺柔性电路，以及在医用塑料，比如导液管上标刻和钻孔。 最新的电子封装需要在电子线路板上钻小孔，成为微孔成形，其直径在1 0 7 5 微米范围内。尽管台k r f 准分子激光器也可以使用掩膜法用大致相同的脉冲数 来完成打孔的工作，但是特制的全固态紫外激光器的脉冲重复频率比准分子激光 器高2 0 倍，加工速度也快得多。对于大到几百微米的孔，可以使用振镜系统矢 量扫描法来一步步精雕细琢，所以加工出的孔非常圆，边缘非常光滑。紫外激光 器的这种精细加工的能力是由于会聚光斑的最小直径直接正比于激光的波长，更 短波长意味着更高的空间分辨率。 此外，紫外激光应用还包括微电子器件加工、激光退火、硅和i v 族材料 的钻孔和开糟，陶瓷器件刻划以及m e 惦。据分析，近期最大的可能应用是下述 两种器件的加工： 1 薄晶片切割传统方法是采用金刚石锯对硅晶片进行机械切割，这种技 术已经使用了约2 0 3 0 年。用金刚石锯切割晶片来减少晶片的切割厚度就成为 难以解决的问题。根据微电子器件的发展趋势，更薄晶片的需求量会大增，如小 型卡和栈式存储器芯片等，因此更薄晶片的切割便成为亟待解决的问题。采用紫 外激光器切割晶片可实现薄晶片的切割，且能提高切割速度，是一种可取代金刚 石锯的切割技术，在薄晶片的切割和批量生产方面令制造商关注。 2 低k 电介质的刻划与存储器芯片、逻辑器件芯片加工相类似的特殊低 电介质材料器件的加工技术也存在一系列挑战性问题。在加工中，当锯或激光把 第1 章绪论 晶片切成薄芯片时，沿锯或激光切割路径的低电介质材料很脆，用锯切割时很容 易破裂。另外，在芯片之闻，切割路径的金属结构使金刚石刀片严重受损。为解 决这一问题，晶片切割和芯片制造商已经做了大量工作，用紫外激光器可很容易 解决上述问题。 1 1 3 水辅助激光技术 水辅助激光加工技术自从二十世纪七十年代就已经有研究记载。到现在第一 个水辅助激光切割、冲击加工及表面清洁微粒污染物的仪器都已经投入商业使 用。不同的水辅助激光加工方法依靠的是相同的物理现象：通过水传播或吸收光； 水的受热气化；等离子体的形成、膨胀和熄灭；冲击波的形成和传播；气泡的形 成、生长和崩溃。新开发的不同波长的激光光源、更短的脉冲、更高的效率和可 靠性、更小的尺寸和更低价格的激光器的出现，都将刺激此种技术更深入的研究 和更广泛的应用。 表1 1水辅助激光加工的优劣势比较【q 水辅助加工的优势水辅助加工的劣势 光可以通过一个水射流传输 由于限制而产生更强的等离子体 水的对流和蒸发能带走残渣 更有效地冷却工件和喷出物 有时利用了材料和水的化学反应 减少了废气和悬浮微粒对大气的污染 比空气更高的光学击穿阈值 更小的聚焦光斑尺寸 光被水或加工中产生的残渣吸收 光可能被水表面、悬浮物和气泡散射 能量由于水的冷却作用丽损耗 材料和水的化学反应可能起反作用 水的光解作用可能导致爆炸 需要更复杂的设备 水和蒸汽对材料和电子器件有危害 水在激光加工中的作用可以是把部分光能通过蒸发和等离子体形成的方式 转化为机械推动力，以此来推动材料表面的残渣或颗粒以及产生冲击波。同时水 比气体能更有效地冷却工件。在一些应用中，水或其解离产物与材料会发生化学 反应。水辅助激光加工的优劣势比较见表卜l 。使用其它中性液体也能产生上述 效果，但是水是最普通、廉价和安全的介质。同时水具有高的热容。图卜1 列出 了不同脉冲的激光水辅助加工。它们大部分都是使用脉宽在l o l o o n s 的准分子 北京t 业大学t 学硕十学位论文 激光和q - s w i t h e dn d ：y a g 激光。这里只包括了脉冲宽度在亚微秒量级的激光。 除趣 冬余趣冬怨 伯5 分x 趴奢 1 0 “ 弋 冬、k 。分乏醚 。 飞蹬璇 一l “w 余。 y 双八。：磷 c e i 。a n i n g r t h ，”t j 一1 一b 葑警 戳 t - t 阳c km a t e r 吲c u 髓i 嘴 一酗- 辍j 秘c em 饼l 汗i c 鑫t l o n o 一舢i s e d i 撒r d e 蜥 il o o 协1p s1 0p 搴 o op 肇 鹅1 0 嘴 1 0 0n 霉 1 捧警 o 壮s p u i s ed u 隐l i o n 拳l r 一i 一 llli 1 1 - s 蛳h i i 蟹 粘酣+ d 辨k i rd 辨嘲辫h d y a g n d 。v l fc 0 2 十婚y a ga m 蝣i 酶re 蛾h r 特怫。c v l 图卜1 不同水辅助激光加= 方式的比较” 1 2 紫外激光水辅助精密切割技术现状 1 2 1 紫外激光精密切割技术现状 自第一台红宝石激光器问世，固体激光器就一直占据了激光器发展的主导地 位，特别是在2 0 世纪8 0 年代出现的半导体激光器以及在此基础上出现的全固化 固体激光器更因为体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好和寿命长等优 点，逐渐成为光电行业中最具发展前途的领域。世界著名的激光公司r o f i n - s i n a r 所销售的激光工业加工设备中6 0 已是二极管泵浦的固体激光器( d p s s l s ) 。目 前主流的d p s s l s 是t e 激光器。它的主要工业应用可以分成三个大类：计算机 和微电子( p c b 制造、电阻微调、存储器修补、磁盘调整、太阳能电池划刻、半 导体晶片加工) 、工业制造( 立体印刷术、打标、钻孔、切割) 和印刷。表卜2 为2 0 0 3 年d p s s 激光器在工业中的应用情况总结。 。主菪西c蕾罨9善山 第1 章绪论 w a 幽蚤h p o w e rp i 艟 r e 辨b 6 a p p k c 3 d o h s l r a 6 hr a 协 q 硪h d h 1 3 2 0 o 4 1 ow 5 2 0 ml o _ 1 0 醯i zm r y f e 辨 1 0 6 4 l 一3 5 w5 一l o o ml l o o 地f m fm m n 昏m m yf 钠t 瑚封l d n 墨如l 缸c e ns c n b l n 蓦敝 l e 捌珥1 蟮d | a m o o d c 哪n 哗 5 3 2 埘n0 1 5 2 0 w5 7 0 ml 一5 0 h 壬z 蜘射k i n 蓦l bm l k 油& d l l h n 爵 c i m l n g 3 5 5 谯2 一t o w5 5 0 m 1 5 _ - 1 0 0 l d zm 抽k 幽岫g 诣h 也。毋可i h 弘 s i k 锄m 缸l n n d 证o n 幽c t n g 2 6 6 mo 5 2 o w5 3 0 垲1 5 一1 0 0 l 【h z矗l 崦m m 崦m 罐m l h 牟o c g m o 如1 w i 【e dk s m 啪mn 5 2 w1 0 0 矗s o 刘匪妇 柚q 融”僻l h m 啊o l o g rq 捕l 伍l c o 蛔e n c e t o 平l p l i y ， 啪mo j 1 5 w1 0 。矗 l - 5 鲢km a c h 妯go fn 睨如p b o 钯蛳s k f 印口 3 5 5 mo 2 4 w l o p 8 0 刮堍k bp l d 由础岫吐p f 蛐吕f b g 弘。南托n 啦c 删n n g o f 姚 c 霄l _ s e r s 1 0 6 4 m5 一1 5 w o i h 鬟- 1 0 0 l l s5 4 0 娩m 蛐g 5 3 2 盥n2 一l o w砒n f a粥奄fi n 哗油琏击s kl e 对畦n & 蹿r c 崦目“h a d 2 6 6 mo 2 一o 5 w k a 孙a w a 缸血咩慨f b g 芦o d 嗽玛 d v d d i s k m 蜡怔删培 紫外激光具有良好的聚焦性能和类似“冷加工”的加工能力。这两个优点使 得紫外激光器可以加工极其微小的部件；不仅如此，紫外光能够被大多数材料有 效地吸收，可以被用来加工红外和可见光激光器加工不了的材料，这使紫外激光 器有更高的灵活性和更广的应用场合。 s t a 删等研究了不同波长d p s s 激光器在金属上打孔的效果，发现对于高高 宽比的孔洞，波长对平均切除率有很重要的影响，结论是，更短的波长能以更高 的速度钻出更高高宽比的孔，如图卜2 尤其在样件厚度超过1 姗时。使用紫外波 段的三倍频d p s s 激光器的切割效率能比红外激光高出一个数量级。 北京t 业大学t 学硕十学位论文 o5 o1 s 2 o 图卜2 在三种波长激光下，对比样件厚度，每脉冲平均切割深度的比较 此外人们分别对使用紫外激光器进行p c b 板钻孔啪，硬盘的精密标记，硅片 切割”埘“，加工在通讯中应用的硅、磷化铟、铌酸锂等材料n 1 1 ，平板显示器的 标记，切割聚酰亚胺薄膜，以及玻璃加工“”等进行了研究。 1 2 2 水辅助激光切割技术现状 1 2 2 1 低功率激光水辅助加工工程材料 激光在水中刻蚀，就激光脉冲参数来说，和激光冲击波加工过程相似，不同 的是只需要切割，不需要冲击。这可以通过增加脉冲数量来实现。在这里，材料 的刻蚀深度最大达到1 咖，激光脉冲持续时间为l o - 1 0 0n s ，脉冲能量达到o 1 - 3 0 j c m 2 。图卜3 总结了激光在水中刻蚀的不同方案。 出邕瑚套函 ( a ( b ( c (d( 图卜3 激光刻蚀时把水导入加工区域的方法：( a ) “”；( b ) 1 ；( c ) “；( d ) “；( e ) “” 第一个激光在水层中加工的实验是为了研究材料去除过程中的发射光谱学。 后来人们才开始对激光在水中加工进行深入研究。到现在，水辅助激光刻蚀的主 要问题是去除切割残渣在加工区域的再沉淀。通常的解决方法是使用超声波方式 进行清洁。水在激光刻蚀中的作用决定于材料和加工参数。当液体中的激光刻蚀 完成后，由于液体的热传导或者气泡诱导液体运动的作用，碎片能够被运走。为 第1 帚绪论 了达到这个效果，激光脉冲要足够短( u s n s 范围) ，重复频率要足够低( 小于 k h z ) 。当脉冲宽度大于1 0 0 m s 时，不能除去重融层。实验表明，在长脉冲( 1 m s ) 或高重复频率( 5 0 k h z ) 下，刻蚀洞穴将变得又宽又浅。这是光被气泡散射以及 被残渣吸收的结果。 其他在水( 水薄层) 中进行低功率激光加工的原因( 可能) 有：为了冷却热 敏材料；在加工陶瓷时避免裂缝的产生；避免在会刚石上的形成石墨化层；避免 在s i c 上的形成硅层；在液体中比在空气中更容易使用光镊捕捉和修复微小粒 子。 至今为止，已经报导了二十多种水辅助激光刻蚀的材料，包括了金属、合金、 钢、陶瓷、玻璃、聚合物及半导体。 研究人员讨论了激光在水中和在空气中刻蚀的不同性质。激光以高脉冲频率 低扫描速率在水中刻蚀时刻蚀率降低，可能是由于碎渣悬浮层的积累，减少了液 体的透明度。而激光以低脉冲频率高扫描速率在水中刻蚀时刻蚀率增加，可能是 由于冲击波压力阻止了氧化层的形成。 在有些报导中，材料在水中的刻蚀率要大于在空气中的刻蚀率，然而在另外 一些报道中，材料在水中的刻蚀率要小于在空气中的刻蚀率。对于这种现象，目 前仍然没有令人满意的解释。关于在水中和空气中的刻蚀率不同的原因，些可 能的解释有： 1 在液体中约束等离子体的温度更高，因为液体阻止了等离子体的膨胀，所 以提高了激光射线的活力，这增加了激光在液体中的刻蚀率； 2 在液体中，由于等离子体膨胀和气泡崩溃以及微喷流损害了目标表面的氧： 化层，提高了激光的刻蚀率； 3 在液体中，气泡有效的带走碎渣，从而提高了激光的刻蚀率； 4 在液体中，气泡使激光产生散射，从而降低了激光的刻蚀率。 目前没有太多的关于激光在中性液体中的刻蚀机制的解释。0 h a r a 等通过式 ( 卜1 ) 的等式来估计气泡的产生率“”： e = 4 ( 一知) c + 峨】 ( 1 一1 ) 其中p 是比重( g c 矿) ，是气化温度( 。c ) ，c 是比热( c a l gd e g ) ，胡。 是汽化潜伏热( c a l g ) 。 同时产生气泡的消失速度由式 ( 卜2 ) 来计算： 如d i = g 一( 6 叩，口2 p ) v ( 1 2 ) 其中g 是重力常数，7 是粘性系数( g c ms ) ，口是气泡半径。 用它们来估算c u 和a 1 在水中的刻蚀率与实验结果一致( o 10 i l l j 脉冲能量， 1 0 u m 光斑直径) 。人们总结出：如果有更多的气泡产生，以及气泡崩溃地更快， 那么残渣的移动将更快，将取得更高的刻蚀率。 北京丁业大学t 学硕1 ：学位论文 在很多研究工作中，人们通过实验观察了激光在液体中刻蚀( 破坏材料表面) 时的物理现象。在一个激光影响较少( 表面温度低于材料熔点) 的单晶硅上，研 究者观察到了疲劳损伤，因而提出了激光在液体中刻蚀的热裂理论“”。i s s e l i n 等研究了由于气泡崩溃导致的会属表面损伤( 气穴侵蚀) 、气泡直径( 0 9 3 8 姗) 和气泡与金属表面距离的关系。他们估计冲击波峰值压力达到1 2 0 1 6 0 m p a ，微 喷流冲击的峰值压力为l 7 m p a ，压力持续时间为3 0 0 n s 。g e i g e r 等也发现了激光 水中刻蚀a l ：0 陶瓷时机械损伤的证据。 人们还观察了激光水中刻蚀的压力动力机制。a g e e v e t 等通过计算估计激光 水中刻蚀时，峰值压力达到l o g p a ，测量的气泡直径为0 5 5 0 5 8 m m ( 能量密度 为1 2 1 0 7 w c m 2 ) “”。z h u 等计算认为在水中切除时的压力比在空气中( 4 5 j c m 2 ， 2 3 n s ) 时大5 8 倍。人们还观察认为，在液体中激光切除时，机械过程比在大 气中做激光切除时占了更重要的作用。d u p o n t 等认为水中能产生更高的切割率 是由于在水中有更高的约束等离子体和冲击波压力“。他们发现3 0 4a i s i 钢在 每个光脉冲后，表面硬度都会增加。s h a f e e v 等只要有气泡产生，在单晶硅上总 是会发现一些表面损伤“。 1 2 2 2 高功率水下和水辅助激光切割 高功率水下和水辅助激光切割与低功率切割和刻蚀有不同之处。激光束汇同 保护气体或水，通过一个特殊的切割头传输到工件，如图卜4 。材料的切割厚度 能达到5 0 硼。激光能量，c w 或m s 脉冲，最高能达到k w 级。 蓁封镤萋鞘肆8 ( i )( b c ) 旧翰 图l - 4 水下和水辅助激光切割的方案：( a ) ；( b ) 2 ”；( c ) ；( d ) ；( e ) 使用c 0 。激光时，在工件表面需要一个干燥区域( a ) ，( b ) ，( d ) ，因为1 0 6 u m 激光不能在水中很好的传输。同时基于n d + 的激光( 波长大约l u m ) 能在水中( c ) 甚至通过水喷嘴( e ) 传输，耗水量：( d ) 1 5 m l m i n 。”，( e ) 5 0 l l l l m i n 。 在第一个实验中使用的是c 0 2 激光，利用喷嘴中的超高压气体产生了一块干 燥的工作区域。后来，人们开始使用n d ：y a g 激光，它在水中传输时只有少许损 耗。在一些应用中加入水是为了冷却工件，另外水还被发现能够减少废气和废渣 排放到大气中污染大气。 第f 章绪论 特别的，人们还利用水喷流来传导激光，使喷嘴和工件之间能保持更长的距 离，同时又避免了聚焦问题。在这里激光束在水喷流中通过完全内反射来进行传 输，水喷流的直径小到6 5 1 0 0 u m ，水喷流的速度在2 0 0 b a r 的压力下达到2 0 0 m s ， 5 0 咖长的水喷流能传输最大达7 0 0 w 的激光，功率密度达到2 l m w c 一”1 。 高功率激光水下和水辅助切割材料的部分应用见表卜3 。 表卜3 高功率激光水下和水辅助切割材料1 c 0 2 ，ik w ，瓶 f d 鼬d a ss 馘 c wabd$tcd s t3 7 一工a l s o p i l l $ 。d p oc 证d ： x 瓣f i s i 位 r 面f o k 碰p l a 毒6 l 露鲭b n 盯b c t b 咩t o b l a b 攫5 ：h a z 话i o 一2 0 n a f f o 獬ra t 棚t n i | g 蛔戳犍r ；l h 群样妇 钿一幅o 霸盛o e l 辅sb o t 幽t 越l 埘o rb m 日i m r 妇妇m 确两o f 辨镕$ 。d 盼l 舢3 0 c 铙+ 5k w ； 枷 3 0 4 ls 翻n l 。酶f d 唪啪f 粕d m o 陀辩鳓盯靶醮6 晌器 n d ：y a g ，1 2 k w 1 翔嘲k 墨珊璐幽湘d4 慨k 辚鞫抽姗t 赶 p h l o d d r o 耱4 lu 稿d e r w a 诧fc 呲嘲 c | 0 2汹q 删c 礞甑9 m m 瓤用o l i l 戳s 孵棚y 驿d 懈e d 5 3 0 w ，p l i 翰d o 。2 ，5 w ( n 薹t 5 l i n m x 5 w l l 一嚣0 n 嚣1 s l 酗m j ，p m 2 ， 2 互3k w 删嘲 渤a l 戮姒麟n 奴 s 轻d 。1 0 m s u s3 0 4a 嗽茄融 $ 妇i n | c g 潮t 2 0m 26 m e 3k s sa e “群o l $ a 耐f k b l 奴1 5 畦m 岱 m o n 1 2 嘲s b ：撩m mt h i 可鼬毫e r 遍l v a 5 牡a b ka ti i ow h 瓣rb 盟mp o 眦r ；p r 口d | m 姻c j 卜一j 5 一 嚣t w 施1 2 争b 张阳rm 射，g 捌酿t h c 田a t 嘶a k 嘲朝咀i d 椭嘶r 细 尊d d h g 珏b e 娃雠c 眦q 韵确y d 响g 斛缸s n d y a g 甜c a l 槭a k a g ，d i a 掰淞o f 耋h e 算t 6 争i 抛i l m ；l 鞠鼬o f a c w7 w 鼢i b k 璐$ 嘲k 筑s 融 k 孵卵t o l m m ：l ”k a l 耐枷t h p l l $ 耐4 w 6 t ( 轴魄a 1 2 锄鲐| | m 渤；n o f o a 溺艮gp r o b k 瞄；鲥姆 掰，。s i ca af o r 嘲嘲菩o f k 秣啪l e 由每 1 2 2 3 切除生物组织 生物组织一般包含有7 0 9 0 的水，而且对它们的激光切割经常在纯水或生 理盐水环境下进行。激光的能量范围从对一些软组织切割时的几j c 砰到对硬组 织切割时的1 0 0 j c m 2 。为了最小化切割时对周围组织的热损伤，需尽量使用短脉 冲( n s 或更短) 激光。 生物组织切除时可能的机理有： 1 光热蒸发：由于激光热作用的产生的水蒸发； 北京t 业大学t 学硕十学位论文 2 光化学分解：由于高能量光子的激发而导致化学键的断裂； 3 光瓦解：激光诱导光学击穿； 4 光分裂：由低于水蒸发温度的热梯度温度产生的压力而造成的组织破坏。 激光切割在医学上的主要应用是角膜改造”1 ，切除动脉斑1 ，选择性骨溃疡 切除。”，以及皮肤再造”。激光诱导等离子体冲击波被用于碎石术粉碎体内 形成的结石m 1 。在水中的冲击波压力比在空气中高出一个数量级。在眼科医学中， 激光诱导冲击波被用于在生物隔膜上刺小孔以恢复视力和减小眼内压力。”。 l - 3 本文研究目标及主要内容 1 3 1 研究目标 本文通过将水引入到紫外激光精密切割过程当中，目的是试图克服传统紫外 激光精密切割方法遇到的问题，提高加工质量。因此，分别针对水辅助激光切割 技术的三个主要方面，本文的研究目标为： 1 发展一种水辅助紫外激光精细切割的新方法，以降低热影响区，减少熔渣； 2 建立紫外激光水导切割系统，确定紫外激光水导切割的优势和实用性； 3 发展一种紫外激光制备微孔猪脱细胞真皮基质( p o r c i n ea c e l l u l a r d e m a li i l a t r i x ，p a d m ) 的新方法，克服传统方法的缺陷。 1 3 2 主要内容 从水辅助激光切割技术的三个主要方面出发，针对波长为3 5 5 硼的d p s s 紫 外激光，实验研究水辅助紫外激光精密切割方法。研究的主要内容包括有： 1 发展一种水膜层辅助紫外激光精细切割铜箔片的新方法，通过实验确定各 加工参数对加工质量的影响，并在此基础上，制备出样品实物； 2 建立紫外激光旁轴水导切