（光学工程专业论文）飞秒激光直写光栅在全息防伪中的应用研究.pdf

摘要 摘要 本文首先阐述了激光全息防伪技术及其在印刷包装防伪领域中的应用，强 调了激光全息图母版及其加密技术在模压全息图工艺过程中的核心防伪作用。 在介绍当今广泛使用的各种全息图母版加密防伪技术的基础上，分析了目前印 刷包装防伪认证领域对新型母版加密防伪技术手段的需求。首次提出了利用飞 秒激光直写金属反射光栅技术实现全息图金属母版再次加密的新型母版防伪加 密技术方案，即在已有全息图金属母版上用飞秒激光直写特定参数和图案的反 射型光栅，使写制的光栅图案与原来利用全息光路记录的全息图案具有相比拟 的技术特征和相似的视觉特点。 阐述了激光全息防伪技术的原理、实现方法、加工工艺及发展现状。 阐述了飞秒激光超微细加工的原理以及飞秒激光超微细加工技术的各种应 用。 介绍了金属光栅的各种制备方法，分析了各种方法的优缺点，论证了用飞 秒激光直写的方法制备反射型金属光栅的优点和使用价值。 利用搭建的飞秒激光加工平台对金属镍板进行了直写光栅的实验研究，给 出了初步的实验结果和分析。 用传统模压全息图的电铸工艺验证了直写光栅对电铸复制工艺的适应性甚 至用于全息图金属母版直写加密的可能性。 最后，本文讨论了目前此项技术尚存的问题及相应的解决途径，讨论了其 在全息防伪领域的应用前景。 关键字：全息防伪模压全息图飞秒激光超微细加工光栅 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ef i r s t e x p a t i a t el a s e rh o l o g r a p h i ca n t i c o u n t e r f e i t i n g t e c h n o l o g ya n di t sa p p l i c a t i o n s i nt h ed o m a i no f p r i n t i n ga n dp a c k a g i n g ，a n d e m p h a s i z et h ek e yf u n c t i o no fh o l o g r a mm a s t e ra n di t se n c r y p t i o nt e c h n i q u e si nt h e p r o c e s so fe m b o s s i n gh o l o g r a m o nt h eb a s i so fi n t r o d u c i n gt h ep o p u l a rk i n d so f e n c r y p t i o nt e c h n i q u e sw i d e l y u s e df o r h o l o g r a mm a s t e r s ，w ea n a l y z e t h e a n t i c o u n t e r f e i t i n gn e e d so ft h en e wm e t h o d sf o rh o l o g r a mm a s t e re n c r y p t i o n an e w t y p eo ft h ee n c r y p t i o ns c h e m ei nw h i c hf e m t o s e c o n dl a s e rd i r e c tw r i t i n gi su s e dt o m a k er e f l e c t i n gg r a t i n g si nt h en i c k l eh o l o g r a mm a s t e ri sb r o u g h to u tf o rt h ef i r s t t i m e t h eg r a t i n gw r i t e dw i t hs p e c i a lp a r a m e t e r sh a ss i m i l a rt e c h n i c a la n dv i s i o n s p e c i a l i t i e st oc l a s s i c a lh o l o g r a m s r e c o r d e db yo p t i c a ls e t u p t h et h e o r y , p r o c e s s i n gt e c h n i q u ea n dd e v e l o p i n ga c t u a l i t yo fh o l o g r a p h i c a n t i c o u n t e r f e i t i n ga r ed e s c r i b e d t h ep r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o n so ft h ef e m t o s e c o n dl a s e rm i c r o f a b r i c a t i o nu s i n g a r ee x p a t i a t e d t h ev a r i o u sm e t h o d so f m a k i n gm e t a lg r a t i n g s a r ei n t r o d u c e d ，a n dt h e i r a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r ec o m p a r e d t h em e r i ta n dv a l u eo ff e m t o s e c o n d l a s e rd i r e c tw r i t i n gm e t a lg r a t i n ga r ed e m o n s t r a t e d t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nw r i t i n gg r a t i n gd i r e c t l yo nt h en i c k e ls u r f a c ew i t h f e m t o s e c o n dl a s e rm a c h i n i n gs y s t e mw a sc a r r i e d ，a n dp r i m a r yr e s u l t sa n d a n a l y s i sa r e p r e s e n t e d i ti sd e m o n s t r a t e dt h a tt h eg r a t i n gw r i t e dd i r e c t l yb yf e m t o s e c o n dl a s e rc a nb e c o p i e da n dt r a n s f e r r e dw i t ht h eh e l po ft h et r a d i t i o n a le l e c t r o f o r r n i n gt e c h n i q u e e v e n t h ep o s s i b i l i t yf o rt h i s f e m t o s e c o n dl a s e rd i r e c tw r i t i n gg r a t i n gt e c h n i q u et ob eu s e d f o rh o l o g r a mm a s t e re n c r y p t i o ni sp r o v e d i ti sc o n f i r m e dt h a tt h es t u d yi sn e c e s s a r y a n di t sf u t u r ep r o s p e c ta r ed i s c u s s e d i nt h ee n do ft h i st h e s i s ，s o m ep r o b l e m so ft h i sn e wt e c h n i q u et ob es o l v e da n d t h ec o r r e s p o n d i n ga p p r o a c h e sa r ed i s c u s s e d t h i sn e wt e c h n i q u ew i l lf i n dp r o m i s i n g i i a b s t r a c t a p p l i c a t i o n si nh o l o g r a p h i ca n t i c o u n t e r f e i t i n gi n d u s t r y k e yw o r d s ：h o l o g r a p h i ca n t i c o u n t e r f e i t i n g ，e m b o s s e dh o l o g r a m ， f e m t o s e c o n dl a s e r , m i c r o f a b r i c a t i o n ，g r a t i n g i i i 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 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食品、化妆品、服装、烟酒、农资产品、汽车农机配件、音像制品、软件电脑 芯片以及电信等出现造假、侵权较多的领域，正日益广泛地采用防伪技术防止 被假冒侵权。以后，由于各地激光全息防伪产品生产厂家蜂拥而起，目前能出 售此类标识的厂家有数百个，由于技术上、管理上存在的诸多问题，使得有些 真的标识不易识别，一些伪造的标识又能以假乱真，降低了激光全息防伪标识 在人们心目中的原有地位1 。尽管如此，由于激光全息防伪产品具有美观的包装 效果和低的大批量复制成本，激光全息技术仍然是当今防伪技术中的主流技术 手段之一，在目前有价证券、认证及品牌防伪与保护中发挥着重要作用。 目前，全息防伪是非常有效的，但是也要看到目前的全息防伪一般是采用 规模化生产的、随着全息防伪技术的成熟和推广，防伪产品不再像过去那么难 获取，因此，全息防伪要有新的改进、突破，才能在防伪领域继续占据主导地 位。由于全息图防伪的核心技术在全息图母版的制作上，因此提高和改进全息 第一章绪论 图母版防伪技术成为防伪行业进一步努力的方向。 激光全息防伪技术中，从工艺过程的角度存在两种全息图母版。一个是用 全息光路记录的以光刻胶为载体的干版型全息图母版，它决定了全息图的表观 特点和防伪能力；另一个是干版型全息图母版经过电铸转移形成的镍质金属母 版，可用于实现后工序的大批量复制晦】。 在于版型全息图母版方面，人们已经研制出多种增加技术含量提高防伪功 能的全息图记录技术，比如菲涅耳全息加密技术、多通道全息加密技术、缩微 加密技术、真彩色记录技术、光刻技术、立体全息图技术等阳1 。这些全息图记录 技术显著地增加了全息图的技术含量、极大提高了全息图的防伪功能，同时也 丰富和改善了全息图的视觉效果，促进了激光全息防伪技术的发展和应用。 当前，全国范围内使用的重要的防伪标志、包装( 如证件、纸币、食盐等) 或物流认证的标识由于用量庞大和区域性提供的要求，经常委托不同地区的多 家防伪企业承担生产任务，使用统一的余属母版。鉴于我国国情和市场的无序 竞争，在大量生产防伪产品的过程中，难免出现被仿冒和不同地区标识窜用的 现象。防伪企业为了保护自身利益，需要在上级权威部门提供的统一的金属母 版上植入可以认证自己防伪产品的防伪信息，被植入的信息即要具有原来全息 图案的视觉特点，又要具有一定的隐蔽性，并且可以通过电铸的方法进行复制。 因此，防伪行业呼唤镍质会属母版加密的新技术。 在镍质金属全息图母版上面，还没有对上面已有的母版全息图再次加密的 技术报道。 而本文的研究内容，是利用飞秒激光可以对金属进行微细加工的特点，直 接在模压全息图工艺中的会属母版上刻划光栅，通过直写出的光栅组成特定的 图案来携带模压全息图生产厂商所需要的防伪认证信息。直写光栅组成的图案 可以是生产激光全息图厂商的名字，也可以是其它任何二维文字或图案信息， 这样的加密信息不改变原来母版全息图的特点，并且通过适当设计其位置与尺 寸，实现隐蔽性。这样即使出现假冒的激光全息标识，我们也能迅速地查找到 假冒标识的源头，从而提升了模压全息图的防伪功能。 第二节激光全息防伪母版制作技术的发展现状 激光全息防伪技术就是大批量复制全息图并与产品包装相结合实现防伪目 ， 第一章绪论 的的技术。具体步骤如下口1 ：利用全息光路在光刻胶全息干板上记录二维或三维 防伪信息的全息图，显影后得到的浮雕型全息图具有凹凸的微观结构，这就是 人们常说的光刻胶母全息图，也叫全息图光刻胶母版；把全息图光刻胶母版镀 上一层银后置入电铸槽并与电铸槽的阴极相连，通过电铸可在全息图光刻胶母 版表面获得一块镍金属版，结果是母全息图上的浮雕结构无损地转移到镍金属 版上，这样获得的镍金属版就是人们常说的全息图金属母版。利用同样的方法 可以把金属母版翻铸成更薄的金属母版( 工作版) ；把工作版放在模压机上，通 过热压的方法可以把金属工作版上的全息图转移到镀有电化铝的聚酯薄膜上， 这就是人们常说的模压全息图；大量复制后的模压全息图通过传统的不干胶印 刷涂胶和模切工艺可以被加工成全息图的不干胶标签，这就是人们常说的激光 全息防伪商标。 激光全息防伪的核心技术就是模压全息母版制作技术，全息母版的特点决 定了由其复制的模压全息图具有不可仿制的防伪功能。全息母版技术含量的高 低决定着其防伪功能的大小，因此人们一直致力于光刻胶全息图母版记录技术 的创新研究上。 迄今，以光刻胶为记录介质的模压全息图母版记录技术，已经从八十年代 的简单假彩色彩虹全息图记录技术发展到目前多种复杂编码的母全息图记录技 术。成熟的技术有菲涅耳全息加密技术、多通道全息加密技术、缩微加密技术、 莫尔加密技术、真彩色记录技术、光刻技术、立体全息图技术等。 菲涅耳全息加密技术的特点是将用户加密图案制作于标识中的某一点或整 个标识内，用简易手持的激光笔照射可在接收纸屏上再现出放大的加密图案。 多通道全息加密技术的特点是在同一位置记录不同的图案，并且不同的图案按 不同的观察角度编码，转动最后得到的标识，会看到在标识的同一位置出现不 同的图案，俗称同位异像。缩微加密全息防伪技术的特点是将用户加密图案或 文字缩至肉眼无法观察并制作于标识中的某一点，用普通大镜方可观察。计算 机点阵全息防伪技术的特点是利用计算机控制双光束激光扫描头直接在光刻胶 板上刻写计算机生成的图形，处理后的全息图表面在3 6 0 0 观察范围内出现放射 状、环状等光点组合的图案变化，极富动感和亮度。动态编码全息防伪技术的 特点是将标识置于眼前，转动标识出现连续不问断的动丽效果和极强的三维空 间。各种全息图光刻胶母版加密技术为全息防伪产业注入了新的活力，并在当 今全息防伪产业中广为使用。 第一章绪论 然而，相对于各种光刻胶母版加密技术而占，金属母版没有加密技术。尽 管为了解决宽幅( 大幅面6 0a m 1 2 0c m ) 全息防伪图案的制作问题，人们研 制了机械拼版技术，但是这种技术只是把由全息图光刻胶母版转移成的小尺寸 金属母版通过热压的方法依照计算机规定的位置依次转移至特种有机玻璃上， 经再次电铸形成宽幅金属母版。 随着国家层而防伪标识( 通信产品和食盐等防伪商标) 和宽幅全息制品( 身 份证、护照等证件用透明全息膜) 批量的巨幅增加，一家或几家防伪商标制造 商根本无法满足产量需求。通常的做法是国家权威部门制备统一的全息金属母 版，把同样的会属母版下发给一批具有资质认证的制造商，由他们分担各地的 商标生产任务。这样做的结果不仅造成了不同地区商标窜用的现象，还给一些 不法厂商制造假冒商标提供了可乘之机，成为这些受权制造商的隐患。为了保 护自身利益，大宗防伪产品的被授权的分制造商希望能在其被授权使用的统一 的金属母版上加上自己的防伪认证信息，该加密信息既要与原有金属母版全息 图案相协调的视觉效果，又要具备充分的隐蔽性，并且还要能通过电铸无损转 移。这就对模压全息图会属母版再次加密提出了新需求。在模压全息图余属母 版上刻写光栅是一个快捷有效并且可靠的解决方法。 第三节飞秒激光超微细j j u - r 技术发展现状 随着激光调q 技术、锁模技术、特别是啁啾脉冲放大技术的发展，激光输 出脉冲的宽度越来越短，目前各种商品化的飞秒激光器已经成熟并被广泛应用 于科研与生产中的各种高科技领域。 飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间非常短，只有几个飞秒 ( 1f s = 1 0 _ 1 5 s ) ，是人类目前在实验室条件下所能获得的最短脉冲。这是飞秒激 光的第一个特点。其第二个特点是：飞秒激光有着非常高的瞬时功率，可以达 到百万亿瓦，比目f j ，j 世界上发电总功率还要多出百倍把飞秒激光脉冲聚焦到 比头发的直径还要小的空问区域后，光电场强度将会比原子内部的库仑场还要 高数倍1 。 通常，按激光脉冲标准来说，持续时间大于1 0 皮秒( 相当于热传导时间) 的激光脉冲属于长脉冲，用它束加工材料，由于热效应使周围材料发生变化， 从而影响加工精度。而脉冲宽度只有干力亿分之一秒的飞秒激光脉冲则拥有独 4 第一章绪论 特的材料加工特性：如( 1 ) 加工孔径的熔融区很小或者没有；( 2 ) 可以实现多 种材料，如金属、半导体、透明材料内部甚至生物组织等的微机械加工、雕刻； ( 3 ) 加工区域可以小于聚焦尺寸，突破衍射极限等等旧1 。 目前，一些汽车制造厂和重型设备加工厂已经利用飞秒激光加工出了更好 的发动机喷油嘴。使用超短脉冲激光，可在金属上打出几百纳米宽的小孔。在 2 0 0 4 年奥兰多举行的美国光学学会会议上，i b m 公司的海特说，i b m 已经将一种 飞秒激光系统用于大规模集成电路芯片的光刻工艺中。用飞秒激光进行切割， 几乎没有热传递。美国劳伦斯利费莫尔国家实验室的研究人员发现，这种激 光束能安全地切割高爆炸药。该实验室的洛斯克说：“飞秒激光有希望作为一种 冷处理工具，用于拆除退役的火箭、火炮炮弹及其他武器。”飞秒激光还能用于 切割易碎的聚合物，而不改变其重要的生物化学性质。生物医学专家已将它作 为超精密外科手术刀，用于视力矫正手术，既能减少组织损伤又不会留下手术 后遗症，甚至可对单个细胞动精密手术或者用于基因疗法。目前人们还研究如 何将飞秒激光用于牙科治疗0 。 飞秒激光用于超微细加工是飞秒激光用于超快现象和超强现象研究之外又 一个重要应用研究领域，是一个极为引人注目的前沿研究方向。我们相信，随 着超短脉冲激光技术的进一步发展以及具有高可靠性的飞秒激光器的进一步完 善，飞秒激光一定会在更多领域获得更为广泛的应用。 第四节本文主要研究内容和意义 本文主要内容如下： 阐述了激光全息防伪技术的原理、实现方法、加工工艺与发展现状；讨论 了全息图母版制作技术的种类和发展需求； 阐述了飞秒激光超微细加工的原理、特点、技术及应用，提出了用飞秒激 光超微细加工技术制备金属衍射光栅的方法； 详细介绍了利用飞秒激光在镍金属表面直写光栅的实验原理、实验方案和 实验结果，利用现有的商用飞秒激光放大器和加工平台在光滑镍板表面刻写了 反射光栅，实现了7 4 7 的衍射效率； 讨论了飞秒激光直写反射型金属衍射光栅技术在激光全息防伪金属母版二 次加密认证中的应用价值，用实验的方法验证了其可行性。 5 第一章绪论 本文的创新之处和意义： 创新之处在于：( 1 ) 提出了用飞秒激光超微细加工技术直写反射型金属光 栅的新方法，实现了7 4 7 的反射光栅衍射效率；( 2 ) 利用飞秒激光直写金属 反射光栅技术在传统的激光全息防伪会属母版上刻写光栅，验证了新刻写的光 栅经传统电铸工艺后不仅可以被转移，并且转移后的衍射效率保持不变。 意义在于：( 1 ) 利用飞秒激光在光滑镍金属表面成功地刻写了反射型金属 光栅，由于飞秒激光超微细加工原则上可以加工任何材料，因此可以将这种反 射型金属光栅的制备方法用于各种金属或合金材料的光滑表面；( 2 ) 由于激光 防伪行业在加工国家层面的证照( 护照、身份证、信用卡等) 或国家行业认证 产品( 食赫、香烟等) 的防伪标识或防伪包装时，独立的防伪企业需要在已有 的被授权的镍金属母版上自行植入加密信息，并且要求被植入的加密信息具有 原来全息图相似的视觉效果和隐蔽性，因此这种飞秒激光直写金属光栅的新技 术可以用于激光全息防伪产业中的金属母版再次加密上，以飞秒激光直写出的 光栅为单元可以形成具有全息图效果的各种二维图案的加密信息，从而满足防 伪加工企业对自己防伪产品生产源头信息的认证需求，达到保护自身权益的目 的；( 3 ) 飞秒激光直写金属光栅技术还可以用于实现金融领域硬币或各种昂贵 会属纪念品的全息防伪。 6 第二章飞秒激光超微细加i ： 第二章飞秒激光超微细加工 第一节激光微细加工概述 自激光器问世以来，激光技术的研究及其在各个领域的应用得到了迅速的 发展。其中，激光作为一种新的力n - r _ 手段，为精密加工技术和制造技术的发展与 进步做出了巨大贡献。不同特性的激光器可用于不同材料在不同情况下的加工， 随着超短脉冲激光技术的进步和日趋成熟，飞秒激光更是扮演了一个创新尖兵 的角色，引领激光加工技术进入激光超微细加工的时代。 目前，激光a n t 已渗入到诸多高新技术领域和产业，并开始取代或改造某 些传统的加工行业。在开发和研制激光的初期，它就被引用于微细加工中。在 激光加工应用统计中，激光微细加工1 9 9 6 年只占微细加工的6 ，1 9 9 7 年翻了 一倍达1 2 ，1 9 9 8 年已增加到1 9 ，可见，激光微细加工技术近十几年的发展速 度之快1 。激光微细n i 技术最成功的应用是在2 0 世纪后半叶发展起来的微 电子学领域、精密光学仪器的制造、高密度信息的写入存储、生物细胞组织的 医疗等，在微细机械零部件的光制造方面，最近几年国外已将其列为攻关项目， 成为未来高新技术前期研究的热点。例如，同本采用激光技术，制造出微米量 级的三维“纳米牛”劫，这说明在微纳量级的三维激光微成型机制上已经取得 了巨大的进展。北京工业大学激光工程研究院应用准分子激光，通过掩模方法， 已经加工出1 0 齿5 0hm 和1 0 8 齿5 0 0 “m 的微型齿轮等3 1 。 随着科学技术和现代工业的发展，产品和零件更趋向微型化和精密化，传 统的加工已不能满足现状，所以更需要像激光超微细加工这样的先进精密制造 技术来代替传统的微细加工技术。当前，激光制造技术及其应用研究在国际上 竞争十分激烈，光学微加工技术和具有超精细加工能力的激光光源的研究与丌 发已经成为微细加工技术发展的前沿之一，是光电子加工行业一个极为引人注 目的研究方向。 2 1 1 微细加工技术与应用 微细加工技术是指能够制造微小尺寸零件的加工技术的总称4 | 。从广义上 第二章飞秒激光超微细加丁 讲，微细加工技术包含了各种传统精密加工方法和与其原理截然不同的新方法， 如微细切削加工、磨料加工、微细电火花加工、电解加工、化学加工、超声波 加工、微波加工、光刻加工、电铸加工等；从狭义上讲，微细加工技术目前一 般主要是指半导体集成电路的微细制造技术，如化学气相沉积、热氧化、光刻、 离子束溅射、真空蒸镀、l i g a 等。常用的微细加工方法有光刻法、刻蚀法和 l i g a 技术n5 | 。( 1 ) 光刻法：这种方法首先在基质材料上涂覆光致抗蚀剂( 光刻 胶) ，然后利用极限分辨率极高的能量束来通过掩膜对光致蚀层进行曝光( 或称 光刻) ；显影后，在抗蚀剂层获得了与掩膜图形相同的极微细的几何图形；最后， 再利用其他方法，便可在工件材料上制造出微型结构。( 2 ) 刻蚀法：通过光刻 工艺在光刻胶上产生图形后，光刻胶下面的薄膜常采用刻蚀的方法得到图形。 在微电子技术中，刻蚀包括湿法和干法。湿法刻蚀主要包括一般化学刻蚀和电 解化学刻蚀。干法刻蚀是利用活性气体与材料反应而生成挥发性化合物来进行 的加工，包括离子刻蚀、等离子刻蚀、反应等离子刻蚀等，它是今后微电子技 术中一种非常有用的刻蚀方法。( 3 ) l i g a 技术：l i g a 是德文光亥1 ( l i t h o g r a f i e ) 、 电铸( g a l v a n o f o r m u n g ) 、模铸( a b f o r m u n g ) 的缩写，主要包括深层同步辐射软x 射线光刻、电铸成型及铸塑。其特点是i i i i i 作高径比很大的塑料、金属、陶瓷 的三维微结构，广泛应用于微型机械、微光学器件制作、装配和内连技术、光 纤技术、微传感技术、医学和生物工程方面：从而成为m e m s ( 微机电系统) 极其重要的一种微制造技术。 微细加工技术最典型的应用有两个方面1 ，一个是微细加工技术在微电子 器件制造中的应用一一大规模和超大规模集成电路的加工制造，主要包括横向 微细加工技术和纵向微细加工技术两种方式；另一个是微细加工技术在微机械 和微机电系统方面的应用，如用于航空航天、汽车工业、医疗器械、军事武器、 机器人等领域的各种微型压力传感器、加速度传感器、温度传感器、智能传感 器；用于军事领域的微型机器人、飞行器；用于医疗卫生领域的微型泵、微型 阀等手术器械；用于航空航天工业和武器工业的微型丌关，用于计算机、核工 业的各种微型喷嘴；用于仪器仪表、计算机和机械工业的微型零器件、微型电 动机、微型发动机等微执行机构等等，这些都是采用现代微细加工技术的产物。 8 第二章匕秒激光超微细加_ 2 1 2 激光微细加工技术及特点 激光技术的发展，使世界科学和工业发生了新的飞跃。激光加工技术是六、 七十年代发展起来的一种新工艺，具有不接触，无污染、热影响区域小，加工 精密以及经反射镜可转向等热点。激光加工的传统范围，包括切割、热处理、 焊接等。除了在这些应用中继续发展外，激光技术还将在其他新的应用方面发 展，尤其对大量具有小孔或微细沟槽复杂结构的电子器件、医疗和汽车制品更 有重大意义。与普通的加工技术相比，激光加工材料减小了热作用区域，可以 准确地控制加工范围和深度，保证高的重复性，具有良好的边缘和广泛的通用 性。 激光微细加工技术可归纳为激光去除加工、激光强化、激光焊接、激光加 工半导体及其他技术几大类n 5 1 。 ( 1 ) 激光去除加工 常用的方法有激光打孔、激光切割、激光刻蚀等。加工的物理基础是激光 辐射区部分材料的蒸发和分离。其中激光打孔和激光切割可加工很多传统的加 工方法所不能加工的材料，而激光刻蚀是当前激光微细加工最先进的技术之一。 与常用化学刻蚀工艺相比，工序减少到只有原来的1 7 ，生产成本降低到1 1 0 ， 而且不易损伤图形，图形轮廓光洁；线宽达到0 5 k t m ，理论上可达到0 1 2 5 , u m ， 非常适合于类似超大规模集成电路之类的图形制作。 ( 2 ) 激光强化 金属制品表面的激光强化技术是一项高新技术。通过激光强化可以显著地 提高硬度、强度、耐磨性、耐蚀性和耐高温性能等，从而大大提高产品质量， 成倍地延长产品使用寿命和降低成本，取得巨大的经济效益。 ( 3 ) 激光加工半导体 半导体的激光微细加工技术具有“直接写入”、“低温处理”等独特的优越 性，在微电子、光电子、集成光学及光电混合集成等领域有着广泛的应用。激 光用于半导体加工的技术主要有激光微调、激光余量元件修复以及激光掩膜修 j 下等。 ( 4 ) 其他技术 l c v d ( l a s e rc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) 技术，即激光化学气相沉淀技术，是 利用激光诱导的化学反应产生游离原子或分子在基材表面形成薄膜的技术。此 技术重点应用在集成电路和超大集成电路的制作方面。 9 第二：章匕秒激光超微细加工 激光掺杂是通过激光束以光热分解或光化学分解的方式使原物质分解产生 杂质原子，同时又对衬底定域加热，是杂质原子得以掺入，以获得满意的器件 参数和功能的一种技术。广泛应用于微电子及光电子加工中。 激光快速成形是用激光束控制某些聚合物的光化学反应，使之按人们的要 求凝固，从而产生模型的方法。 激光微细加工的特点如下1 ： ( 1 ) 激光微细加工是一种符合可持续发展战略的绿色制造技术。在大规模 生产中，激光微细制造成本低、生产效率高；激光微细加工可根据生产流程进 行编程控制( 加工自动化) ；激光微细加工可可接近或达到冷加工状态，实现常 规技术不能执行的超精密制造；激光微细加工对加工对象的适应性强，且不受 电磁干扰，对制造工具和生产环境的要求大大降低；激光微细加工可实现低噪 声；激光微细加工不产生任何有害的射线与残剩，生产过程对环境污染小，因此 被称为绿色加工技术。 ( 2 ) 激光微细加工是一种智能化制造技术。由于激光输出的可控制性，因 此在制造过程中能通过软件实行自动化流程的智能控制。带有实时检测、反馈 处理的加工系统可根据生产性质的需要，实行加工台的定位控制，还可通过激 光的光纤传输实行加工头的机器手定位控制，从而实现高效的自动化、智能化 激光制造。 ( 3 ) 激光微细加工是一种更精密的制造技术。在微细加工中对于微小元件、 印刷电路板集成电路、微电子元件和微小生物传感器等的制作，激光微细加工 是唯一的不可替代的技术。 ( 4 ) 激光微细加工是一种无接触加工的制造技术。激光微细加工透过空气， 惰性气体和透明体对工件加工实现无接触加工。 ( 5 ) 工艺先进。激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工 件；激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非 激光照射部位没有或影响极小。因此，其热影响区小，工件热变形小，后续加 工量小，它可通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工。 ( 6 ) 由于激光束易于导向、聚集实现作各方向变换，极易与数控系统配合， 对复杂工件进行加工，因此激光微细加工是一种极为灵活的加工方法。 ( 7 ) 激光微细加工生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益 好。 1 0 第二章飞秒激光超微细加工 ( 8 ) 激光微细加工的另一个主要优点是其固有的加工灵活性，这为各种微 细结构的加工生产提供了极大的可能性。采用激光微细加工能制造各种形状的 微棱镜以满足反射型、透射型等各种不同几何分布的需要。 随着日益增多的、具有多功能装置的( 如光学器件、微机械系统、电子线 路和互连组件等) 系统的设计和开发，以及这种先进装置加工工艺技术的不断 成熟，激光微细加工将在这些装置的加工中起着至关重要的作用，能实现前所 未有的特殊的性能技术及要求。 第二节激光微细加工原理及分类 2 2 1 热化学、光化学和反应速率钔 激光微细加工中往往伴有光化学反应和光热反应。这主要是根据激光在加 工过程中所起的作用来区分的。热化学和光化学是完全不同的化学领域，热化 学反应中分子的电子状态和光化学反应中激发分子的电子状态不同，因而所造 成的化学反应能力也不同。热化学反应总是使体系的自由能降低，光化学反应 总是使体系的自由能增加。 光化学反应往往包括一系列过程，它以光吸收的引发作用为开端，以生成 通常与反应物不同的稳定分子而告终。把这一连串的光化学过程分为初级过程 和次级过程。初级光化学反应的速度常数与热化学反应的一样，随温度变化而 变化，同样满足a r r h e n i u s 方程n 7 1 k = a e x p ( - e o r 2 ) ( 2 1 ) 式2 1 中，k 为速度常数；a 为常数；磊为活化能；r 为气体常数。 在热化学反应中，活化能较大，而光化学反应中的活化能较小，因而可 以在较低的温度得到较高的反应速率。 2 2 2 激光微细加工机理n 5 1 在强功率激光辐照下，固体的光学性质将发生很多变化，静念介电函数不 第二章飞秒激光超微细加 再适用，光吸收系数也受到影响。首先，激光引起的热效应将导致材料密度或 电特性改变，在介质中产生热自聚效应。其次，在半导体和绝缘体中，强激光 吸收将导致带问跃迁或碰撞电离，形成大量自由载流子，结果使材料的吸收系 数急剧增大，并可能引起材料的严重损伤。另外，强激光电场还可能引起固体 中电子轨道或整个分子的非线性畸变，从而导致多种非线性光学现象，包括自 聚焦与多光子吸收等。在强激光与固体相互作用时，材料表面的形貌也会发生 改变，产生一些某种图样的皱纹或损伤。所有这些现象，在采用强激光对材料 表面进行处理的过程中，都具有不同程度的重要性。 分析激光加工过程，影响激光的主要因素有激光照射焦面上的能量分布、 发散角、焦距、最小束斑直径、被加工材料等8 。 图2 1 是激光照射时焦面上能量分布情况，将波长为九、光束直径为d 、输 出面上功率为p 平行光线，用焦距为f 的透镜聚集，则能得到同心圆状的衍射像。 由衍射理论可知，在这个焦点平面上，其能量分布是不均匀的，在束径中心， 即焦点上辐照度瓦用式2 2 表示： 万d 2 巴o5 百虿f ， ( 2 2 ) 而中心愈远，则辐照度越弱。 焦面 l ， 、鼍 j 7 r 图2 1 激光 ! 射焦面上的能量分布 从图2 1 所示能量的分布状念可以看出，使得辐照度第一次为零的分布半径 1 2 第二章飞秒激光超微细加工 为，它由下式2 3 得到： r 。= 1 2 2 苦 ( 2 3 ) 可见在半径1 的圆面积上集中了全部光通量的8 4 4 ，由上式可以得到激光 照射聚焦时光斑直径为 d ：2 4 4 笪 1 d 考虑到发散角口的影响，则光斑直径为： d l = f 8 目：2 4 4 立 d ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 由于激光有非常好的相干性、单色性、方向性，从激光器发出的全部光通 量虽然不大，但进入谐振腔的光都是以固定波长，向固定方向发射，因此聚焦 后就能获得非常大的功率密度，如红宝石激光聚焦时，其焦点上的功率密度可 达1 0 9 w c m2 ，如果将金属材料放在焦点上，其表面温度将被加热到1 0 4 摄氏度。 2 2 3 常用的激光微细加工技术 ( 1 ) 激光化学加工技术 由于激光对气相或液相物质具有良好的透光性，所以强聚焦的紫外或可见 光激光束能够穿透稠密的、化学性质活泼的基片表面气体或液体，并可有选择 地对气体或液体进行激发，受激发的气体或液体与衬底可进行微观的化学反应， 从而进行刻蚀、淀积、掺杂等微细加工。 ( 2 ) 激光化学刻蚀 激光刻蚀通常是指在一定气体氛围中用高强度激光照射硅表面，以达到极 高的腐蚀速度。激光刻蚀适用于特殊形状微型机械的加工，例如，与微电路集 成的印刷头、记录器等。溶液及电化学腐蚀对形状的适应性有限，而激光腐蚀 可通过调节腐蚀剂量，几乎可以加工出任何形状及轮廓，这有利于制造形状复 1 3 第二章飞秒激光超微细加h 杂的微型机械。 ( 3 ) 准分子激光微型机械加工技术 准分子激光束基本属于冷光源，从而在微加工方面极具优势。准分子激光 直写为微加工提供了一个新的发展方向。它将激光技术、c a d c a m 技术、材料 科学及微加工技术有机地结合起来，利用高分辨率的准分子激光束结合数控技 术直接在硅片等基体上刻出微细图形，或直接加工出微型结构。 第三节飞秒激光超微细加工技术与应用 飞秒激光超精细加工往往是在极小的空间、极短的时间和极端的物理条件 下对物质进行加工的。飞秒激光超精细加工，可以是对物质在原子、分子水平 上的操纵，或者是对物质在微小区域内某些重要属性的改变与处理。使用飞秒 激光进行材料处理不仅可以改进现有激光材料微加工的不足之处，而且还可以 完成传统激光加工无法做到的事情。 2 3 1 飞秒激光超微加工的原理 激光与物质的相互作用可按皮秒时间量度分为热过程和非热过程n9 。临界 时间取决于自由电子对品格离子的弛豫时间，加热温度因对象物质而异。碰撞 弛豫时i 训用电子声子耦合参数进行计算，金属物质弛豫时间需达到数皮秒。用 比碰撞弛豫时间长的脉冲激光照射物质，使电子和晶格离子处于平衡状态，从 而达到相同温度而成为热过程。另外，用比碰撞弛豫时l 日j 更短的激光照射，则 电子温度处于比品格离子温度高的非平衡状态。激光照射后晶格离子的加热才 丌始，这一过程为非热过程。飞秒激光的脉宽比电子和品格弛豫时间短，在电 子和晶格达到热平衡状态前，能量就注入到物质中，因此可进行几乎没有热影 响的加工。 激光加工在时间上可分为两个阶段心：( 1 ) 激光与材料相互作用，即激光 吸收与材料加热；( 2 ) 材料熔化和汽化过程，即材料去除过程。因此，对特定 波长的激光来说，材料可分为：吸收材料( 如金属和大多数半导体对可见光来讲 就是吸收材料) 和透明的介电材料( 如玻璃对可见光来讲就是透明材料) 。 一、对吸收材料，其中存在大量的自由电子，通过焦耳加热( 又称为逆韧致 吸收) 过程吸收激光能量，材料本身被加热。吸收材料加热过程可由俩个特征参 1 4 第二章飞秒激光超微细加r 数来表示： ( 1 ) 趋肤深度 l = 1 a 其中o f , 是材料的吸收系数。 ( 2 ) 热扩散距离 乞一( d r f ) 1 胆 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 其中，d 是热扩散系数，是激光脉冲宽度。对长脉冲激光，l z ，加热体 积取决于热扩散过程，因此，损伤阂值z 。 g t u ：但是，当激光脉冲宽度下降 到f c ，使热扩散距离，。；( d r ，) 1 2s ，。，那么，损伤阈够。将与激光脉冲宽度无 关，损伤阈值曲线变平，如图2 2 所示。由于飞秒激光能量被限制在趋肤深度的 范围内，而且作用时间极短，能量还没来得及扩散，材料已经被加热到极高的 温度，直接以汽相蒸发，这样在材料内形成很大的温度梯度，并且材料以汽相 蒸发带走大部分热量，使得周围热影响区很小，实现精密加工。 暑 皇 。 錾 兰 c ! c 专 2 一 一 图2 2 金属损伤阂值随激光脉冲宽度的变化情况 二、对透明材料，激光损伤过程可以有两种方式：雪崩电离和多光子电离。 ( 1 ) 雪崩电离过程：在透明材料中，束缚电子的电离势( 或称为带隙) 远大 于激光光子能量，一般情况下不能吸收激光，只有为数极少的( 来自于金属杂质 第二章l 1 秒激光超微细加t 等) 自由电子( 称为种子电子) 可通过焦耳加热过程吸收激光能量，当种子电子的 动能达到或超过束缚电子的电离势时，种子电子与束缚电子发生碰撞，就会使 束缚电子电离，即产生一个额外的自由电子，这一过程可以自我复制。如果激 光能流足够高，那么，自由电子的密度就会像雪崩一样，以指数形式上升，一 旦等离子体达到临界密度，透明材料就变成吸收材料，损伤即将发生。 ( 2 ) 多光子电离过程：束缚电子也可以同时吸收r n 个电子直接从束缚能级 ( 或称为价带) 跃迁到自由能级( 或称为导带) ，条件是m 个光子的能量大于等于束 缚电子的电离势( 或称为带隙) 。这是一个m 阶过程，其吸收截面甚小，只有在极 高的激光场强下，多光子电离才能占优势。而长脉冲激光场强较低，多光子电 离过程可忽略不计，激光损伤以雪崩电离过程为主，但飞秒激光的场强极高， 可达到1 0 1 0 v c m 量级( 氢原子第一玻尔半径处电场强度为5 1 1 0 9 v c m ) ，多光 子电离过程占主要地位。 脉冲宽度从连续激光到几十皮秒，损伤机制为雪崩电离过程，依赖于初始 的种子电子密度，而材料中的种子电子密度( 由于材料中杂质分布的不均匀) 变化 很大，在1 0 8 1 0 1 0 c m 。3 范围，因此，损伤阈值变化很大。对长脉冲激光损伤阈 值定义为可引起损伤几率为5 0 的激光能流密度，即长脉冲激光损伤阈值是一 个统计值。而超短脉冲激光引起损伤虽然也是雪崩电离过程，但其种子电子由 多光子电离过程产生，不再依赖于材料中的初始种子电子密度，因此，损伤阈 值是精确值。与吸收材料情况相类似，脉冲激光的损伤阈值也是随脉冲宽度下 降而明显减小，到了皮秒量级，下降速率变缓，到飞秒量级时己基本变平，见 图