（测试计量技术及仪器专业论文）光敏玻璃紫外脉冲激光微加工理论与技术的研究.pdf

摘要 随着m e m s 和微流控芯片技术的快速发展，光敏玻璃凭借其特有的优点，在 微器件领域开始得到广泛应用。本论文即针对光敏玻璃的形状精密加工需求，自 主设计完成了二套紫外波长的纳秒脉冲激光精密加工系统，利用此系统实现了对 f o t u 亿气n 光敏玻璃的微结构加工。 本文主要完成的工作如下： 1 以电子和晶格中的能量传递理论为基础，分析了纳秒脉冲激光和固体材 料的作用机理。在激光脉冲宽度为纳秒条件下，简化了电子和晶格相互独立的双 温模型，得到纳秒脉冲激光作用于材料的热传导方程。通过理论分析，证实了纳 秒脉冲激光加工中，热效应是存在的。 2 论文选用f o t u r a n 光敏玻璃为加工材料。其内部掺杂了a 矿和c e 3 + ， 使其不同于普通玻璃，具有了金属材料的部分特性。从激光和透明材料、金属材 料的作用机理出发，初步分析了f o t u r a n 玻璃在光照过程中的反应，并结合 后续的处理流程，全面分析了f o t u r a n 玻璃整个加工流程的作用机理。 3 根据f o t u 融州玻璃的光学特性和激光作用机理，自主设计和搭建了激 光精密加工系统。该系统包括激光器、光路系统、机械结构、上位机图形平台和 控制系统。其中激光器选择3 5 5 n m 波长的紫外光源，结合光路系统和“龙门式” 机械结构，构建了整个微加工系统的硬件平台。图形化的上位机软件平台，可满 足加工图形的可视化编辑和图形文件的解析。并且按照由里到外寻找最短路径的 方法，以直线段为单位对图形进行了加工路径的优化。先进的数字信号处理芯片 和现场可编程门阵列的配合使用，实现了二维运动系统的精密联动控制，使得整 个系统完全满足f o t u r a n 玻璃的精密加工需求。 4 以表面粗糙度为评价指标，在每道工序后用原子力显微镜对f o t u r a n 玻璃表面进行表征，根据测量结果完善了典型光敏玻璃的加工工艺流程，创新性 地提出了四步工艺流程：光照一加热一腐蚀一再加热，最终样品再经过1o 分钟 去离子水的超声振荡后即可呈现较好的加工效果。 5 利用搭建好的紫外纳秒脉冲激光微加工系统对f o t u r a n 玻璃进行了微 加工实验，制作了浅坑、垂直深坑、微通道等基本结构。实验中探索了腐蚀液浓 度、腐蚀时间、激光能量、运动速度等参数对加工深度和线宽的影响。 6 基于激光能量与加工结果的关系。提出了同心圆的加工轨迹结合变激光 能量的方法，在f o t u r a n 玻璃表面进行了可控形状的加工，实现了平底和碗 形底面的圆形微结构，并且进一步探索了通过加工速度的调整，实现不同曲形底 面的微结构加工的可行性。此外，通过和上位机图形软件的结合，实现了较为复 杂三维结构的加工。 上述理论分析和实验表明了纳秒脉冲激光微加工系统可以实现对 f o t u r a n 玻璃的精密加工，通过对系统参数的实时调整，实现了可控形状的加 工，得到了较好的加工效果。 关键词：光敏玻璃 f o t u r a n精密加工纳秒脉冲激光形状加工 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e i o p m e n to fm e m s ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) a n d m i c r o f l u i d i cc h i pt e c h n o i o g i e s ，p h o t o s e n s i t i v eg l a s sh a sb e e nw i d e l yu s e di nm i c r o m a c h i n i n gf i e l df o r 砥o w na d v a n t a g e s b a s e do nt h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n ti n p h o t o s e n s i t i v eg l a s ss h a p e c o n t r o lf a b r i c a t i o n ，i nt h i sd i s s e r l ：a t i o na u vn a n o s e c o n d p u l s el a s e rm i c r o - m a c h i n i n gs y s t e mi sd e s i g n e da n ds u c c e s s f u l l yp e 晌n n s t h e m i c r o s t m c t u r em a c h i n i n go nt h ef o t u r a np h o t o s e n s i t i v eg l a s s t h em a i nw o r ki nt h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： 1 b a s e do ne n e r g yt r a n s f e rt h r o u 曲e l e c t r o nt ol a t t i c e ，t h ei n t e r a c t i o n b e t w e e nt h en a n o s e c o n dp u l s ei a s e ra n dt h es o l i dn l a t e r i a li sa n a l y z e d 1 h e nt h et w o t e m p e r a t u r ed i f f u s i o nm o d e l i sd i s c u s s e da n ds i m p l 讯e d i nt h es c a l eo fn a n o s e c o n dp u l s ew i d t h ah e a te x c h a n g ef u n c t i o nh a s b e e ne x l i r a c t e d a n dt h ee x i s t e n c eo fh e a te f f e c ti st e s t i f i e dt h e o r e t i c a l l y 2 t h ef o t u r a np h o t o s e n s i t i v eg l a s si ss a n l p l ei nt h i sw o r k w i t ht h e d o p i n go f a 矿锄dc e ”，t h ep h o t o s e n s i t i v eg l a s ss h o w s n o to n l yt h e n o r m a ip r o p e r 哆b u ta l s os o m ec h a r a c t e r i s t i c so fm e t a l t h er e a c t i o no f f o t u r a n p h o t o s e n s i t i v e9 1 a s si nu ve x p o s u r ei se x p l o r e do nt h e r e s e a r c ho ft h ei n t e r a c t i o np r o c e s so fl a s e rw i t ht r a n s p a r e n tm a t e r i a l s a n dm e t a l w i t ht h ec o m b i n a t i o no ff o l l o w i n gp r o c e s s ，t h em e c h a n i s m o fm a n u f k t u r ep r o c e d u r eh a sb e e nr e s e a r c h e d 3 b a s e do no p t i c a lp r o p e r t i e so ff o r t u r a na n dl a s e rm a c h i n i n g m e c h a n i s m ，an a n o s e c o n dp u l s el a s e rm i c r o - m a c h i n i n gs y s t e m ， i n c l u d i n gl a s e r ，o p t i c a ls y s t e m ，m e c h a n i c a ls y s t e m ，h o s tc o m p u t e r s o 胁a r ea n dc o n t r o ls y s t e m ，i sd e s i g n e d t h em i c r o - m a c h i n i n gs y s t e m c o n s i s t so fal a s e rs o u r c ew i t h3 5 5 n mw a v e l e n 昏ha n dab r i d g es t ) ，l e m e c h a n i c a ls t l l j c t u r e t h eh o s tc o m p u t e rs o r w a r ec a nb ep r o g r a m m e d i ng r a p h i cs 够l e ，a n dr e s o l v et h eg r a p h i c sb yl i n es e g m e n tb a s e do nt h e r u l eo fs h o r t e s tp a t hs e e k i n gf r o mi n s i d et oo u t s i d e t a k i n gt h eg r e a t a d v a n t a g eo fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) a n df i e l dp r o g r ；h n m a b l e g a t ea r r a y ( f p g a ) ，t h et w oa x i sl i n k e dm o v e m e n ti sa c h i e v e d t h e s y s t e mi sc a p a b l eo ff o t u r a np h o t o s e n s i t i v eg l a s sm i c r o m a c h i n i n g t h ea t o mf o r c em i c r o s c o p e ( a f m ) i su s e dt oe v a l u a t et h es u r t a c e r o u g h n e s so ft h ef o t u r a np h o t o s e n s i t i v eg l a s sd u r i n ge v e s i n g i e m i c r o m a c h i n i n gs t e p t h er o u 曲n e s si n f o m a t i o n i su s e dt 0i m p r 0 v e t h ep r o c e d u r co ft h ef o t u r a np h o t o s e n s i t i v eg l a s sm i c r o - m a c h l n l n g an e wf o u r s t e pm e t h o di sp r o p o s e d ：u ve x p o s u r e h e a tt r e a t m e n t e t c h i n g “e a tt r e a t m e n t a 舭rl0m i n u t e su l t r a s o n i cv b r a t i o ni n d e i o n i z e dw a t e r ，t h et e s t e ds a m p l e ss h o ws a t i s n e dr e s u l t s s h a l i o wh o i e s ，d e e ph o i e s ，a n dm i c r o c h a n n e i s a r em a c h i n e do nt h e s u r f a c eo f t h ef o t u r a n t h eh y d r o f l u o r i ca c i de f f e c t ，p u l s ee n e r g ) ， a n ds t a g em o v e m e n tv e l o c i t ya 代i n v e s t i g a t e di nd e t a i l a c c o r d i n gt ot h er e l a t i o nb e 帆e e np u i s ee n e r g ya n d r e s u i t s ，c o n c e n t r l c c i r c l eh a sb e e nc h o s e nt om o l dt h eg r 印h i c s f l a tb o t t o mh o l e s ，c u n ，e d b o t t o mh o l e sa n ds o m es i m p l e3 ds t r u c t u r e sh a v eb e e n 如c c e s s f u l l y f a b r i c a t e du n d e rv a r i o u sl a s e rp a r a m e t e r sa n d d i a e r c n tm a c h i n i n gs p e e d s h a p e c o n t l 0 lm a c h i n i n gh a sb e e nd o n e o nf o t u r a ng l a s ss u r f a c e b a s e do nt h ea b o v et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t s ，t h em i c r 0 m a c h i n i n g c a p a c 时0 nt h ef o t u r a np h o t o s e n s i t i v eg l a s so f n a n o s e c o n dp u l s el a s e ri s s u c c e s s f u i l vi l i u s t r a t e d d i 仃宅r e n ts y s c e mp a 舢e t e r sh a v eb e e nt e s t e dt oa c h i e v e s h a d e c o n t r o lf a b r i c a t i o na n ds o m es a t i s f i e dm i c r o s 打u c t u r e sa r ea c h i e v e df _ i n a l l y k e yw o r d s ： p h o t o s e n s i t i v eg l a s s ，f o r u r 。a n ，m i c r o m a c h i n i n g ，n a n o s e c o n d p u l s el a s e r ，s h a p e - c o n t r o lf a b r i c a t i o n 4 乱 生 & 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我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。 学位论文作者签名： 豸f ；尊 签字同期： 矽口7 年多月歹同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 苤盗盘鲎 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗基鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 邬；永 签字同期：矽卵年g 月；同 新虢匮 答字r 期：1 年；j 日 第一章绪论 1 1 光敏玻璃的发展状况 第一章绪论 光敏玻璃不同于普通的玻璃，它是通过内部掺杂其他元素而制成的微晶玻璃， 通过光的照射，玻璃的透光性、颜色、折射率等性质会发生变化。基本的制备过 程是对基础玻璃进行加热，添加一定量的成核剂，通过控制晶化而制得的一类由 晶相和残余玻璃相组成的质地致密、无孔、均匀的熔结体。经光照( 称光敏) 处 理，使玻璃体内均匀地析出大量细小的晶体，最终经过化学处理得到永久图案。 光敏玻璃的性能是由微晶相的种类、晶粒的大小、玻璃相的组成以及它们的相对 数量决定的。 由玻璃制备多晶材料的思想可以追溯到1 8 世纪，当时人们知道玻璃在适当 的温度下，经过足够长时间的热处理，会失透或结晶。直到1 9 5 7 年美国康宁公 司化学家s d s t o o k e y 在研制感光玻璃时，把感光后的玻璃加热到比普通玻璃更 高的温度。玻璃并没有熔化，而且转变为不透明的多晶陶瓷材料，这种材料具有 的机械强度比原始玻璃有明显的提高，而且其他性能也有显著改善，获得了微晶 玻璃重要的基本发现l ij 。 1 9 6 2 年，c o h e n 和s m i t h 发表了对受辐照的掺有c e 3 + 和e u ”氧化物的硅酸 盐玻璃中色心的观察结果。1 9 6 4 年美国c o m i n g 首先研制出了光敏玻璃。2 0 世 纪7 0 年代之后，科学家发现光敏玻璃在热处理后，除了结构和颜色发生变化外， 还有很多光学性质也发生了变化【2 1 。 光敏玻璃在使用中，首先需要用紫外线照射，再进行热处理，给予一定的能 量条件，才能使成核中心像种子发芽一样，生长出许多微小的晶体。最终照射过 的地方可以形成永久图像，而未照射的地方仍然保持原来的样子。在热处理过程 中，玻璃经过成核形成、晶体生长，最后转变为不同于原始玻璃的微晶玻璃。热 处理一般分为两个阶段：加热到成核形成温度，并保温一定时间，在玻璃中出现 大量稳定的成核后，再升温到晶体生长温度，同样保温一定时间，使玻璃转变为 具有微米甚至纳米晶粒尺寸的微晶玻璃【l j 。稳定的成核形成后，达到一定的临界 半径，晶体就开始生长。从玻璃到陶瓷的形态转变中，玻璃并没有发生变形。显 然，材料中微小的金属晶体成为玻璃的主晶相析晶的成核剂，大量分布均匀的成 核剂的存在，保证了晶体的均匀生长以及晶体骨架的形成，使得玻璃在温度升高 天滓大学博士学位论史 后，仍能保持一定的强度。 光敏玻璃和普通玻璃区别是：前者部分是晶体，后者辛是非品体。光敏玻璃 表面可呈现天然石条纹和颜色的不透明体。它的优点主要有”i ： 1 热膨胀系数可虬在很大范用内调整，甚至可使其膨胀系数为零。 2 机械强度岛硬度大，耐磨性能好，抗弯强度是普通玻璃的7 一1 2 倍。 3 具有良好的化学稳定性和热稳定性，能适应恶劣的使用环境。 因为光敏玻璃比普通玻璃有更多的优点已经广泛地成用到更新的领域中 p 1 0 l m 1 采用光敏玻璃制造微透镜。这是因为含偏硅酸锂的光敏玻璃在紫外光照射和 随后的处理后形成了偏硅酸锂的乳白色区，密度变很大。通过精密控制， 可以调节形成区域的形状和厚度从而可以调节生成的部分的光学性质，制 得透镜功能的光学器件，图i i 所示为在光敏玻璃上加工出的微透镜阵列| i “。 峋圈妙簟 - 妙1 i = ： l 冀峨 图i i 徽透镜阵列 2 直接制各电路板。将已经形成永久图案的玻璃侵入含有银离子的熔融盐浴 中进行处理，随后进行加热，便可在乳色玻璃区上形成一层连续的导电银膜- 而在透明区上的少许银膜因不连续而无法导电。 3 用于新型光掩模基板及掩模图形制作。由于采用光敏玻璃及激光技术制造掩 模板，具有工艺简单、全干法处理省却了目前掩模板制作中的如坚( 胶) 膜 腐蚀、去胶等大部分后处理工艺，大大提高了成品率从而使生产效率大为提 高。同时由于克服了传统的光学、电子束等制版技术所带来的许多问题t 因 而可获得更高分辨率、高精度、放全面面型的新型掩摸扳，可见光敏玻璃 引入掩模制造生产中将成为掩模制造的一狄革命。 第章绪论 4 随着m e m s 和微流控芯片技术的发展，光敏玻璃凭借其稳定的化学性质、宽 的使用温度，越来越多的被用作微器件的材料。图l 一2 所示为使用f o t u r a n 光敏玻璃制作的微执行器。 图1 2 j 教执行器 我国对光敏玻璃的研究起步较晚，从1 9 8 l 开始对光敏玻璃组成和性能进行 深入研究，对成形工艺进彳亍初步尝试。一直到】9 9 7 年生产工艺和技术得到不断 完善和提高，产品的种类结构进一步调整和丰富。总体来说，和国际先进水平还 有差距，主要体现在：生产过程自动化、机械化水平不高；能耗高、在线检测和 过程控制技术落后：高新技术应用水平低，产品种类少，成本高。面对这些差 距，我国必须以提高核心竞争力和整体水平为目标，实现光敏玻璃的可持续发展。 1 2 光敏玻璃的激光徽加工 光敏玻璃和光致变色玻璃统称为光色玻璃，能对某些渡长的光辐射产生响 应，从而形成新的结构或颜色。光色玻璃的典型应用就是变色眼镜，当被光照射 时，服镜镜片变颜色，停止光照射又恢复原来的样子。而光敏玻璃区别于光致 变色玻璃的地方就是经过一定波长的光照射后可以生成很多微小的“潜影”经 过熟处理和化学处理，可以得到永久图像。 光敏玻璃的基本成分与普通玻璃相似，都是二氧化硅( s 1 0 3 ) ，但由于s i 0 2 的 熔点较高( 】6 0 0 以上) 所以在光敏玻璃制作中通常需要加入碱金属和碱土金 属氧化物作为助熔剂。同时为了改进其物理性质还需加入a i 、z n 、t i 等金属 的氧化物后再加入金、银、铈等光敏活性成分，其中的银是光化学效应的重要 基础。 光敏玻璃的基本加工过程分为三步：首先在波长符合的激光照射下，光敏活 天津大学博士学位论文 性成分吸收光子，释放出一个电子，而电子被捕获于玻璃中的特定位置，形成一 幅潜影。然后必须经过热处理使电子从捕获点释放出来，和a 矿相结合，还原为 a 酽。这些a g o 聚集起来形成微小的核心，使晶体能够从玻璃中沉积到这些核心上。 沉积的晶体来自于玻璃本身的化合物( 如偏硅酸锂) 或添加物( 如氟化钠) 【1 】。 这些晶体浸泡在特定酸溶液中，会被迅速的腐蚀掉，而未照射的部分腐蚀速度很 慢，从而在激光照射过的地方形成了永久结构。比如锂铝硅酸盐玻璃经过照射， 加热到6 0 0 0 c 左右的时候，会生成偏硅酸锂晶体( l i 2 s i 0 3 ) ，l i 2 s i 0 3 在氢氟酸中腐 蚀的速度是未照射部分的2 0 倍左右。 光敏玻璃在激光照射下，光线在玻璃内传播，伴随能量的吸收，必定有能量 的衰减，从而导致最终的加工效果随着深度的增加而变化。因此光辐射条件对微 晶玻璃的加工影响巨大。除光源的选择、光线的方向以及光源与玻璃间的距离外， 光辐照时间是影响光敏微晶玻璃的一个重要因素。此外，基体玻璃的厚度、组成 等也会影响到成色微粒的大小和成分以及反应速度，从而影响到最终的效果。 激光光束在经过光学系统整形会聚后，能形成很小的加工光斑，直径一般为 几微米到几十微米，适合对光敏玻璃进行照射形成潜影，进而加工出微结构，所 以针对不同参数的光敏玻璃，激光器的选择也很重要，下面结合激光器和激光加 工系统的发展，来介绍一下光敏玻璃的激光加工。 第一台激光器在1 9 6 0 年问世，此后激光的研究及其在各个领域的应用得到了 迅速的发展【16 1 ，其中以加工领域中的应用成果尤为显著。激光加工是指将激光束 作用于物体的表面从而引起物体形状或性质发生改变的加工过程，其实质是激光 将能量传递给被加工材料，使被加工材料发生物理或化学变化，从而达到加工的 目的7 1 。一直到2 0 世纪8 0 年代，紫外波段的准分子激光器开始出现，揭开了人们 从事紫外加工的序幕。但是当时成熟的光敏玻璃和稳定的紫外激光器很少，大部 分的研究者还是从事基础的理论研究。直到m e m s 的快速发展和商用紫外激光器 的普及，极大地推动了光敏玻璃的微加工。以美国科学家f d f u q u a 为代表，人 们开始研究如何利用紫外激光在光敏玻璃上生成微结构，应用到m e m s 领域 1 1 8 埘】。德国i l m e n a u 技术大学则使用自行设计的l i 2 0 a 1 2 0 3 s i 0 2 光敏玻璃，采用掩 膜进行图案的设计，然后用紫外光进行照射、加热和相对应的处理，生成设计的 微结构，如图卜3 所利2 5 1 。韩国科学家使用3 1 2 姗波长的紫外光直接照射 f o t u 凡n 玻璃，并且通过样品的多维移动，生成了很多微结构阵列，如图卜4 1 2 6 | 。 4 第一章绪论 越 园量l 图1 5 飞秒激光加工出的微结构图i 飞秒激光加工的微通道 我国在1 9 6 1 年研制成功第一台激光器，并于】9 6 3 年研制成功第一台激光打孔 机。但是真正的檄光工业在1 9 9 5 年前后才刚刚起步，晚于发达国家2 0 年左右。 而在当时，国外发达国家的工业激光系统已得到广泛的应崩。近年来，随着国内 经济的快速发展和各种激光加工技术系统的进步，已经能自行生产从低功率到高 功率的c 0 2 激光器和y a g 激光器。激光工艺的研究和开发也取得7 巨犬的进步。 激光加工市场也在不断扩大，平均每年以2 0 的速率增加】，同时激光加工领域 也不断开拓，在集成电路、仪器仪表、计算机制造、手机通讯、汽车配件、精密 天津大学博士学位论文 器械等各个行业都有越来越多的激光加工设备的应用。虽然我国激光加工技术得 到了飞速的发展，但在激光加工系统的可靠性、稳定性以及整体化、智能化、自 动化水平与国外差距较大，使得当前国内除部分研究者致力于对基础理论的研究 外，大部分的研究者都使用外国的设备进行相关研究，严重限制了脉冲激光和物 质问的作用机理、材料的微结构加工等方面的深入研究，故研制成功激光微加工 系统越发的重要起来。 1 3 本课题研究的意义和主要内容 本论文选用的光敏玻璃是德国肖特玻璃公司生产的f o t u r a n 型号的锂铝 硅酸盐玻璃。除了主要的玻璃成分，掺杂了微量银( a g + ) 、铈( c e ”) 、锑( s b ”) ， 其中a o 作为成核剂，a 矿的作用是吸收电子，还原成银原子。少量的c e 0 2 作为 光敏剂，铈为变价态物质。在激光器的选择方面首先确定为短脉冲激光器。因为 相对于长脉冲激光和连续激光，短脉冲激光具有脉冲宽度窄、峰值功率高的特性， 使得加工的热影响区很小，实现精密加工，适合于做精密加工光源。 在激光器选择方面，波长也是一个重要的参数。通过对f o t u r a n 玻璃的光 谱分析，它在紫外波段有很好的吸收率，在可见光区和红外区的吸收率很低，基 本透射，透射光谱如图1 7 所示f 4 5 】。所以针对f o t u r a n 玻璃的加工，在激光器 波长选择方面，首选紫外波段。 图1 7f o t u r a n 光敏玻璃的光学特性 从脉冲宽度角度看，短脉冲激光包括了纳秒脉冲激光、皮秒脉冲激光和飞秒 脉冲激光。根据经典理论，随着脉冲宽度的变小，能实现更细小的加工1 4 6 5 9 】。 但是皮秒脉冲激光和飞秒脉冲激光加工系统结构复杂、价格昂贵、加工效率低、 6 第一章绪论 稳定性和可靠性在目前情况下还较差；并且飞秒激光的波长多集中在红外波段， f o t u r a n 玻璃对这波段的吸收很弱。当前利用飞秒脉冲激光对f o t u r a n 玻璃 实现的微加工，都是基于飞秒激光极高的峰值功率，作用在f o t u r a n 玻璃里面， 在光斑附近发生了非线性的吸收，破坏了玻璃的内部组成，进而溢出电子，供银 离子还原为银原子吸收。在此反应过程中，光敏元素c e 基本上没有参加反应。 针对飞秒脉冲激光在波长和价格、维护方面的缺点，最终选择3 5 5 n m 波长的， 纳秒脉冲激光作为本系统的光源【6 吣】，通过光学系统、机械系统和控制系统的 全面设计，完成f o t u r a n 光敏玻璃的紫外脉冲激光的微加工系统。凭借微米量 级加工精度、较高加工效率、成本和维护费用较低等优点，除了能实现对光敏玻 璃的微结构加工外，还能扩展到对其他材料的微加工，有着广阔的应用前景。 本论文的主要任务是实现f o t u r a n 型号光敏玻璃的微结构加工。通过对此 光敏玻璃性能的研究，设计适合于f o t u r a n 玻璃微加工的紫外脉冲激光微加工 系统，在此系统上进行深入的微加工研究。工作主要包括： 1 认真调研和深入分析当今激光器和激光微加工系统的分类和未来发展趋势， 结合f o t u r a n 玻璃性能的分析，提出f o t u r a n 玻璃的微加工系统的设计 思想，确定加工光源的类型。 2 任何激光加工都是激光和物质间的相互作用，本论文将从激光和固体材料之 间的作用机理出发，详细分析光束作用后的反应过程。针对纳秒脉冲激光的 加工，简化电子和晶格相互独立的双温模型，确定纳秒脉冲激光作用于材料 的热传导方程。 3 从f o t u r a n 玻璃的基本成分出发，结合光化学反应，研究玻璃在光照、热 处理和腐蚀几个步骤的内部反应机理，并在此基础上，完善典型的工艺流程。 4 针对微加工系统的总体方案，把系统划分为激光器、光路系统、机械系统、 控制系统和上位机软件。通过机械结构和光路系统的设计，构建整个微加工 系统的硬件平台。结合上位机图形软件平台和高性能的数据处理和控制模块 搭建整个脉冲激光精密加工系统。 5 通过搭建的微加工系统，研究f o t u 凡州玻璃的微结构加工，制作浅坑、垂 直深坑和微通道等基本微结构。通过对激光能量、运动速度、氢氟酸浓度和 腐蚀时间等参数的研究，确定f o t u r a n 玻璃的加工参数组合。 6 基于激光能量与加工结果的关系，提出加工轨迹结合变激光能量的加工模型， 在f o t u r a n 玻璃表面进行可控形状的加工，实现平面和碗形底面的圆形微 结构，并且进一步探索通过加工速度的调整，实现不同曲形底面的微结构加 工的可行性。此外，通过和上位机图形软件的结合，实现复杂三维结构的加 工。 天津大学博士学位论文 第二章紫外脉冲激光和光敏玻璃相互作用理论 激光与物质间的作用是激光加工的基础，涉及到激光物理、原子与分子物理、 等离子体物理、材料科学等广泛的学科领域。当激光作用在物体上，电磁能首先 转化为电子激发能，然后再转化为热能、化学能和机械制6 8 】。 本章从纳秒脉冲激光和材料间作用的机理出发，分析了纳秒脉冲激光和固体 材料作用的过程，并且在纳秒脉宽基础上简化了电子和晶格温度场的双温模型i 再结合f o t u r a n 光敏玻璃的特点和加工工艺流程，阐明了紫外纳秒脉冲激光 和f o t u 融州玻璃作用的基本原理，成为微结构加工的理论依据。 2 1 纳秒脉冲激光与材料的相互作用机理 激光与材料的作用是激光加工的基础，涉及到激光物理、材料、光学、分子 理论等多门学科领域。激光作用在材料上，光子的能量转变为热能、化学能等其 他形式，物体状态发生了包括固体、液体、气体和等离子体的变化。本节就是通 过理解激光与固体的相互作用过程来分析纳秒脉冲激光加工的作用机理。 2 1 1 激光与固体相互作用过程1 6 3 l 任何一个由激光照射产生的材料结构 加工和处理的第一步都是一定数量的激光 能量的沉积。总的激光能量、空间和温度 能量分布决定了最终的加工结果。 激光与固体的相互作用的基本过程首 先表现为处于平衡态的电子通过吸收光子 到达激发态的受激过程，受激过程的物理 原理可以是单光子共振跃迁、双光子和高 阶多光子跃迁、隧道电离和超势垒电离。 除单光子共振跃迁是依赖于材料的吸收光 谱特性的线性过程外，其余的均是材料的 非线性特征。由于纳秒激光脉冲宽度比热 ，电子棵位离傲 电子热平鬈 包子冷却 曾热过氍 。 声。f 弛摩 热扩散 热过程 热熔化 。烧蚀 r 时目a 图2 1 受激电于匏探明赳j l 星 第二章紫外脉冲激光和光敏玻璃相互作用理论 扩散时间长，较长的持续时间降低了其相应的峰值功率，从而使得电子的受激过 程主要依赖于单个入射光子的共振线性吸收。 在电子受激电离初始化后将立刻展开一系列复杂的二次过程，并将一直持续 到材料结构的最终修复，过程如图2 1 所示。由于电子受激伴随着对材料进行一 个非常短暂的相干极化过程，在大约1 0 一4 s 的时间范围内，通过自旋一自旋弛豫 过程改变了受激态的相位，但它并不影响电子的能量分布，这一过程实际就是所 谓的横向弛豫。受激电子态的初始分布处于一系列不同的能级，这些占有态将通 过电子一电子散射迅速得到改变，在大约1 0 。3 s 的时间内电子达到一个准热平衡 状态，并且拥有比周围晶格温度相对高的温度。 准热平衡态的电子能量最终通过向外辐射声子传递给晶格，这是电子能量弛 豫的主要方式。声子的辐射时间虽然只有大约2 0 0 f s ，但需要大量声子辐射的产 生来减小载流子能量，从而使得电子温度的冷却持续较长，这个电子一声子弛豫 时间在1 0 1 3 1 0 。1 2 s 时间内。接下来是声子动力学过程，这些声子不断的向外辐 射，最终达到热平衡过程。 到达热平衡后，能量的空间分布以温度包络为特征，而材料的光吸收状况又 使得温度梯度存在。在这种条件下，通过电子漂移或晶格一晶格耦合热量向周围 进一步扩散，热扩散时间取决于材料的热扩散特征长度万和热扩散系数j d ， 即气= 万2 d ，其数值为l o 。1 s 量级。 最终材料在周期脉冲作用时间范围内，一方面通过不断地吸收光子获得持续 增多的受激电子和能量；另一方面，受激电子储存的能量又将通过声子的形式转 移、转化。当材料中沉积的能量足够多 时，将逐步到达其熔点温度，从而发生 从固态向液态的相态转化。正常热熔化 通过液相的形成和生长非均匀性地发 生，使得相态边界逐步从固相朝液相推 进。由于固一液相态界面移动速度的上 限应为声速水平，因此熔化一层固体材 料需要相当长的时间。同时由于热传导 的影响，热能向周围环境进行大范围的 扩散，最终造成作用区域边缘呈现一定 程度的熟影响和热损伤，如图2 。2 所示 纳秒激光脉冲 一 i 脉冲加工区一 热作用影响区 图2 - 2 纳秒脉冲激光加工示意图 【7 9 】 o 实际上，纳秒脉冲激光去除材料是个非常复杂的过程，不光有热作用的过程， 当光子能量足够高时，激光光子可能会使样品的化学键直接断裂掉，即发生光化 9 天津大学博士学位论文 学作用过程，使局部区域的体积迅速膨胀“爆炸”，原子或其他基团直接脱离样品 表面，达到迅速去除材料的目的。所以在分析纳秒脉冲激光作用于材料的机理时 候，应该从多个模型过程出发，才能更全面的理解这个过程。 2 1 2 双温模型8 呲s i 双温扩散模型描述的是在固体电子亚系统向晶格扩散的激光能量的传输特 性。从一维非稳态热导方程出发，考虑到纳秒脉冲与电子及电子与晶格两个独立 的作用过程，分别用t e 和t j 表示电子和晶格的温度。将自由电子和晶格看成各 自独立的系统，电子亚系统中的热扩散比晶格中的扩散要快得多，用两个微分方 程表示： e 昙乃= 昙七妄乙吨) + 黜d ( 2 - 1 ) c ，茜t2 9 ( t z ) ( 2 - 2 其中，s ( x ，t ) 代表源项，可由下式给出： s ( 工，f ) = ，( f ) 彳口e x p ( 一锨)( 2 3 ) x 代表光传输方向，与材料表面相垂直；a = 1 r 与a 代表材料表面穿透率与吸收系 数；i ( t ) 代表光强；c 。、c 沩电子和晶格的比热： k 代表电子热导率；g 为电子一 晶格耦合系数。 公式2 1 、2 2 具有三个时间域： f 。、f ，、f ；，其中f 。= c 。g 是电子的冷 却时间， = c ，g 是晶格的加热时间( f 。 f 。，此时疋= 乃= 丁，公式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 简化为一维热传导方程： c l 昙丁= 昙( 尼。a r 叙) + l 口e x p ( 一锨) ( 2 _ 4 ) 对公式2 4 进行的理论研究和实验很多，在纳秒领域脉冲与材料作用过程中， 激光脉冲先把材料加热到熔点，然后再加热到沸点。材料的蒸发需要比熔化时更 多的能量，主要的能量损失是热传导。热穿透深度可估算为，( d ，) 2 ，其中 d = e 是热扩散系数。对纳秒激光脉冲一般满足条件d 气口2 l 。热量在一定 的时间内在靶内向四周传播，比聚焦区还大的区域将被熔化。蒸发始于液态物质， 1 0 第二章紫外脉冲激光和光敏玻璃相互作用理论 使精密加工与超短脉冲激光相比有一些差距。 双温模型下纳秒激光脉冲与材料相互作用的能量转移过程分为两个过程： ( 1 ) 电子吸收光子能量：( 几个f s ) 在纳秒激光与材料相互作用的起始阶段，材料中的自由电子通过吸收光子能 量达到激发态，由于电子的热容比较小，因此电子迅速达到较高温度，接着自由 电子之间重新建立平衡，达到稳定状态，这一过程大约持续几个f s ，称为电子驰 豫时间，在该过程中，只要激光脉冲持续时间大于电子驰豫时间，就可以确定电 子的温度，此时电子和晶格间并无热交换，电子与晶格处于不同的温度状态。 ( 2 ) 电子与晶格进行能量交换：( 几十p s ) 电子与晶格的能量交换是通过声子来进行，尽管电子与声子碰撞时间与电子 与电子碰撞的时间相近，但是由于声子质量比电子质量要大得多，因此自由电子 与晶格之间能量转移需要较长的时间，这一过程大概持续约几十p s ，自由电子 与晶格达到热平衡的这一过程被称为热化时间；即电声耦合过程。 所以从双温模型中也可以看到，因为纳秒激光脉冲宽度远大于热传导时间， 所以材料表面一方面不断地吸收光子获得持续增多的受激电子和能量；另一方 面，受激电子储存的能量又将通过声子的形式转移、转化最终通过热能形式对材 料实现熔化、气化、修复和去除。因此热传导在很长的时间范围内存在，热能向 周围环境进行大范围的扩散，最终造成作用区域边缘呈现一定程度的热影响和热 损伤。 2 2f o t u 毗气n 光敏玻璃的典型工艺流程 光敏玻璃是一种特殊的微晶玻璃，基本成分和普通玻璃相似，都是二氧化硅， 但是因为二氧化硅的熔点高( 1 6 0 0o c 以上) ，通常加入了助熔剂，同时加入铈、 银等光敏活性成分【8 9 】。这些添加剂在经过光照和加热后，便会发生一系列物理化 学变化，使玻璃的透光性或吸收光谱发生改变，从而具有光敏特性。除了曝光量、 热处理条件能对光敏玻璃的性质产生影响外，基体玻璃的厚度、组成等也会影响 到成色微粒的大小和成分以及反应速率，从而影响到光敏玻璃的性质。 本论文使用的光敏玻璃是德国肖特玻璃公司商业化产品f o t u r a n 型号的 锂铝硅酸盐光敏玻璃。除了主要的玻璃成分，还掺杂了微量银( a g + ) 、铈( c 毫”) 、 锑( s b 3 + ) ，表2 1 列出了详细的化学成份。 天津大学博士学忧论文 表2 1f o t u r a n 玻璃的化学成分 组成名称 质量百分比 s 1 0 ， 8 0 k ! o 1 2 0 l i 2 0 1 1 0 a l 抑3 1 1 0 n 0 2 0 1 - l o z n 01 1 0 b ! o j 1 c e 0 ， 1 a 出o 1 s b 0 3 1 表2 1 列出的成份中，光敏性微量成份包括铈和银。a 乱o 作为成核剂其中 a g 的作用是吸收电于，还原成银原子。少量的c e 0 1 作为光敏剂，铈为变价态物 质，主要成分是c e ，而c e ”的吸收光谱峰值在3 i5 n m 附近m i ，位于紫外波段 对紫外光有很强的吸收。同时s b = 0 ，作为热还原剂，能增强金属离子在加热过程 中的着色能力但是如果掺杂过量，自身将产牛变色。 来照射前玻璃是高度透明和无色的，从光谱上可以看到，对可见光基本上不 发生吸收，但是对波长更短的紫色光则不透明。所以f or u r a n 玻璃的基本加工 过程分为= 三个步骤”1 ：紫外光照射、热处理和湿法化学腐蚀，如罔2 3 所示”“。 纛哮一h ( a ) 紫外光i ! ! 【射( b 加热f c ) 腐蚀 刮2 0f o t u r a n 玻璃的基本工芝过程 1 紫外光照射 在受到紫外光照射时，c e ”发生光化学反应释放出一个自由电子。变成 c e “自由电于在c c + 周围处于亚稳态，形成电子离子对如公式2 5 所示。在室 第二章紫外脉冲激光和光敏玻璃相互作用理论 温下玻璃处于固态，所以离子或原子是不会移动的，电子的活动也局限在相当于 原子半径几倍大小的范围内，使得扩散速度非常之慢，以致需要成千上万年的时 间才能结晶。所以光化学反应( 主要是银离子还原为银原子) 只有升温才能完成。 因此，通常采用的方法是把玻璃加热到略低于软化温度( 通常是6 0 0 左右) ，从 而实现快速沉降。 ( _ 3 + + j l zy 争( _ 4 + + p 一 ( 2 5 ) 2 热处理 加热过程主要有4 步反应【9 9 】，( a ) 银离子通过吸收自由电子，还原到银原 子，如公式2 6 所示。( b ) 银原子生长到成核的临界大小，如公式2 7 所示【1 鲫。 ( c ) 偏硅酸锂晶体的成核。( d ) 晶体的生长。其中，b 和d 反应速度比较慢， d 最慢。 彳g + + p 一专彳g o ( 2 6 ) 剃毒。专k o 太 ( 2 - 7 ) 典型的加热过程是从室温升到5 0