（测试计量技术及仪器专业论文）飞秒激光微结构加工工艺的研究.pdf

中文摘要 飞秒激光具有极高的峰值强度，精确的损伤阈值，热影响区小，加工精度高 等特点，引起国内外研究者的极大兴趣。本文利用飞秒激光加工系统对飞秒激光 应用于不同材料表面微结构加工理论进行了初步探讨，并使用波长7 7 5 n m 、脉宽 1 5 0 f s 、重复频率1 k h z 的脉冲激光进行了材料表面烧蚀与切割实验，为飞秒激光 用于材料表面微结构加工的研究和不同材料加工工艺参数的确定提供了有重要 参考价值的数据。 论文的工作主要包括： 1 对飞秒激光在物质表面烧蚀和切割工艺的加工机理及其在微结构加工中 的应用进行了研究。 2 利用c p a - 2 1 l o i 飞秒激光加工系统对硅样品进行了一系列表面烧蚀实验， 观测飞秒激光对硅材料表面烧蚀的具体过程。 3 对多种材料的切割工艺进行了实验研究，分析了不同激光参数对于切割 尺寸及精度的影响。 4 利用原子力显微镜、扫描电镜、光学显微镜等对加工的微结构进行了测 试，分析了加工中缺陷的产生原因，提出了相应的优化方案。 关键词：飞秒激光微结构表面烧蚀切割 a bs t r a c t f e m t o s e c o n dp u l s el a s e rh a sal o to fs i g n i f i c a n ta d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hp e a k v a l u ei n t e n s i t y ，p r e c i s ea b l a t i o nt h r e s h o l d ，l i m i tt h e r m a lr e g i o n ，h i g hp r e c i s i o ni n m i c r o m e t e rl e v e la n ds oo n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d i e s o nm i c r o m a c h i n i n gw i t h7 7 5 n m ，15 0 f s ，ik h zf e m t o s e c o n dp u l s el a s e ra r ep r e s e n t i t w o u l db eu s e f u lt ot h er e s e a r c ho nm i c r o s t r u c t u r em a c h i n i n go ns u r f a c ea n dg e t t i n g t h ea p p r o p r i a t ep a r a m e t e r k e yp o i n t so fm y r e s e a r c ha r ec l a s s i f i e da sf o l l o w i n g ， 1 f e m t o s e c o n dp u l s el a s e rm a c h i n i n gm e c h a n i s m s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n da d v a n t a g e s t ot h ea b l a t i o na n dc u t t i n ga r ea n a l y z e d 2 u s et h ef e m t o s e c o n dl a s e rs y s t e mm a n u f a c t u r e db yc l a r km x rc o l t dt o p e r f o r mas e r i e so fe x p e r i m e n t so ns i l i c o ns u r f a c et og e tt h ea b l a t i o np r o c e s s 3 r e s e a r c ho nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep r e c i s i o no fs i z e ，r o u g h n e s so ft h ee d g e a n dt h el a s e rp a r a m e t e ra n dt h em a t e r i a lp r o p e r t yb yc u t t i n gt h ed i f f e r e n t m a t e r i a l s 4 t h em o r p h o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fm a c h i n e ds t r u c t u r e sa r et e s t e db ya f m ， s e m ，a n do p t i cm i c r o s c o p et ol 詹a dt h ed e f e c ta n do p t i m i z et h e m k e yw o r d s ：f e m t o s e e o n dp u l s el a s e r ，m i c r o s t r u c t u r e ，s u r f a c e ， a b l a t i o n ，c u t t i n g 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迸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，也不包含为获得丕叠盘堂或其他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。 学位论文作者签名：杏凌捅签字日期：知司年 加矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：叁鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘茔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： 导师签名： 签字日期：硼年l f l 月财日签字日期：切年矿月巧日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 飞秒激光加工研究现状 第一章绪论 激光微加工作为激光加工的一个分支，在过去十年被广泛关注。其中原因之 一是由于更加有效的激光源不断涌现。比如具有非常高峰值功率和超短脉冲固体 激光，很高光束质量的二极泵浦的n d ：y a g 激光器等。另外一个原因是有了更为精 确、高速的数控操作平台。但一个更为重要的原因是不断涌现的工业需求。目前 主要是微电子、微机械和微光学加工三大领域。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n 1 。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。 飞秒激光烧蚀就是利用其非常高的脉冲功率密度与物质相互作用，达到烧蚀 目的。飞秒激光脉宽只有1 01 5 秒，相当于人眼所能分辨时间极限( 0 0 5 秒) 的十 万亿分之一。正是由于飞秒激光的脉宽极窄，所以它可以在相对较低的脉冲能量 下得到极高的峰值功率，经过放大的飞秒脉冲的峰值功率密度更可以高达 1 0 2 1 w c m 2 。飞秒激光由于其自身特性以及对一些极端条件的创造，成为应用领 域相当广泛的一种研究工具，其领域主要包括：时间分辨光谱学，瞬态光谱学， 强场效应，飞秒光脉冲产生太赫兹电磁波辐射，飞秒激光脉冲溅射蒸发镀膜技术， 飞秒激光诱导向前转移技术以及飞秒纳米光子学等幢1 。 目前，飞秒纳米光子学是国际上刚刚起步并具有重大基础研究背景和巨大应 用前景一个研究方向。所谓飞秒纳米光子学，就是研究在时间上是飞秒量级，空 间上是纳米尺寸的光子与物质相互作用的规律。目前，国际上该领域的研究主要 集中在飞秒激光用于微纳米精密加工，飞秒激光用于近场光学，飞秒激光用于微 纳米结构光纤等。 飞秒激光脉冲的产生与应用是一个不断总结、不断发展的过程。下面分别对 于飞秒激光自身的发展过程以及飞秒激光对于材料加工方面的应用进展两方面 进行介绍。飞秒激光脉冲首先是在染料激光器中利用碰撞脉冲锁模( c p m ) 的原理 获得。1 9 8 5 年r l f o r k 等获得了2 7 f s 的短脉冲。1 9 8 7 年，他们利用自相位调制( s p m ) 和光栅压缩的原理，做到了短至6 f s 的脉冲。但是由于染料激光器结构复杂，染 料一般采用喷流形成膜的方式，所以其操作性差，并且不利于小型化和实用化。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 随着8 0 年代晶体生长技术的发展，掺钛蓝宝石晶体为代表出现了多种性能 优良的固体激光晶体，为飞秒激光器的固体化，实用化奠定了基础。1 9 8 2 年，麻 省理工学院( m i t ) 林肯实验室的p e t e r f m o u lt o n 第一次实现了以掺钛蓝宝石作 为工作介质的激光器。钛宝石作为增益介质开始在超短脉冲的产生中发挥了重大 作用。固体介质的激光器还有结构简单，光束质量高，运行可靠，可重复性好等 优点。在钛宝石激光器发展的初期，人们利用各种锁模方法，在钛宝石激光器中 获到了飞秒量级的脉冲输出。1 9 9 1 年，英国s t a nd r e w s 大学的d e s p e n c e 等人 以掺钛蓝宝石为增益介质不依赖于任何外加的锁模元件，仅依赖钛宝石晶体自身 的克尔效应( k e r re f f e c t ) ，得到了6 0 f s 的自锁模脉冲输出。该工作成为超快激 光技术发展的一个里程碑。随后美国m i t 的h a u s e 于1 9 9 2 提出了克尔透镜锁模理 论，揭示了掺钛蓝宝石激光器中的自锁模机制。正是这一锁模机制的发现，使得 钛宝石飞秒脉冲激光器由振荡器直接输出的脉冲宽度在短短几年的时间内迅速 减小，超短脉冲激光器向着小型化，实用化迈进了一大步n 4 。1 7 1 。 随着飞秒激光技术的越来越成熟，从上世纪九十年代末到现在，飞秒激光已 经具有了成型的加工系统。如c l a r k ，q u r n t r o n i x 等。飞秒激光的应用和加工工 艺的研究也变得更加广泛，各个领域的应用研究越趋成熟，加工尺度大多达到微 纳量级，加工材料日趋多样化。 目前对于飞秒激光加工理论研究较系统的材料包括：金属、聚合物以及电介 质等。下面分别进行介绍：二十世纪七十年代，苏联学者s i a n i s i m o v 等人提 出了描述烧蚀金属材料的双温模型阳1 。该模型从一维非稳态热传导方程出发，考 虑到超短脉冲时光子与电子及电子与晶格两种不同的相互作用过程，列出了电子 与晶格的温度变化微分方程，即双温方程。之后在八十年代，一些学者以该模型 为基础，采用染料激光器产生的飞秒激光进行了双温方程一些参数的测试及实 验。伴随着九十年代初克尔透镜锁模机理的发现与提出，固体激光器的研究从脉 宽、稳定性以及脉冲能量方面均有较大提高。九十年代，德国人b n c h i c h k o v 用0 2 - 5 0 0 0 p s 的掺钛蓝宝石激光脉冲烧蚀金属靶材料，利用双温方程，在不同 的激光脉冲间隔内，约化双温方程，求得解析解，从而定量的揭示了飞秒激光烧 蚀材料较长脉冲具有规则的形状，同时，在脉冲间隔为纳秒领域时的解析解揭示 了烧蚀率对能流阈值的对数依赖性，该依赖关系也适用于半导体材料及聚合物。 1 9 9 8 年，j g t i d d e 用2 0 0 f s 的脉冲烧蚀不同厚度( 几十纳米至微米量级) 的金和镍 薄片，结果发现：随着材料厚度的增加，不同厚度两类金属被烧蚀时，所吸收的 能流也线性增加值到材料厚度大于某一值时，所需能流不再增加而为一常值。直 到2 0 0 0 年，加拿大国家综合加工技术研究所x z h u 教授，用脉宽连续变化的激 光在金属表面作用，发现加工溅射物的分布与脉宽成一定变化关系。 天津大学硕十学位论文第一章绪论 对聚合物烧蚀的研究始于紫外激光，最早是用紫外光对聚合物化合键的组合 进行分析，加大紫外光的能量，多键由于吸收能量过高而断裂，达到烧蚀的目的。 1 9 8 9 年，美国学者r s a u e r b r e y 通过理论分析得出：当所吸收的光子数密度与 发色团密度接近相等时，便达到了激光烧蚀阈值，与所得实验数据相吻合。该描 述基于高强度时的辐射传输分析，且不考虑紫外激光烧蚀为光化学效应还是热效 应。并于1 9 9 3 年给出了紫外激光烧蚀聚合物的非线性吸收和多光子效应的数学 描述。1 9 9 6 年，s h i n k in a k a m u r a 利用不同脉冲间隔飞秒钛宝石激光研究了聚合 物( 四氟乙烯、六氟乙烯) 对能流的依赖关系，发现不同脉冲间隔烧蚀率的差异 性，分析认为，在1 7 0 飞秒时，5 光子吸收占主要地位，且在1 7 0 飞秒到2 0 0 皮 秒范围内，烧蚀阈值强度与脉冲问隔的平方根成反比。2 0 0 0 年，德国学者s b a u d a c h 对聚合物烧蚀进行超短脉冲激光烧蚀时，引入累积模式，认为烧蚀阈值 与照射到同一点的脉冲数有很大关系，即单脉冲能流要达到较大值才能实现照射 区域烧蚀，多脉冲时，只需要较低能量，就可以实现在照射区域首先出现裂痕及 小范围的洞，随着脉冲数的增加，裂痕和小洞逐渐扩大直至烧蚀区域的形成。 对激光与电介质相互作用的理论研究较早、较系统的是纽约州立大学j p l o n g t i n 领导的小组。1 9 9 6 年，通过高强度、短脉宽的激光与液体相互作用的研 究，提出了饱和吸收效应：依照传统的材料的吸收系数不变理论，吸收系数不受 光强变化影响瞳引。但事实是随着光强的提高，一些分子被推到激发态，他们的吸 收系数必然与基态时不同，这种吸收系数随光强的变化而变化的现象就称为饱和 吸收效应。该文是基于辐射吸收与热传输建立的模型，模型结果得到了相关实验 验证。1 9 9 7 年，美国g m o u r o u 教授明确提出多光子效应后，j p l o n g t i n 小 组将饱和吸收效应和多光子吸收思想相结合，于1 9 9 9 年提出了新的热吸收模 型。并且在2 0 0 2 年从飞秒激光传输过程出发，提出了飞秒激光与电介质相互作用 的等离子体吸收模式。 近两年，用飞秒激光加工材料的研究越来越引起各个研究单位的重视，主要 从事飞秒激光与不同材料的加工机理、加工工艺、在材料表面或内部进行打孔、 画线、使透明材料改性以及实现在透明材料内部光学器件的刻划等，如图卜1 所 示为日本大阪的研究人员t o m o k a z ut a n a k a 使用飞秒激光在光硬化树脂材料加工 的微齿轮结构。从图中可以看到，虽然只有微米级尺寸大小，微齿轮的结构十分 清晰，它代表了国际上用飞秒激光加工微结构的先进水平晗。 犬律人学碗t 学位论文 第章绪论 幽卜1 飞秒激光加t 出的光硬化树脂微断沧 圈1 2 为加拿大的激光研究室的m m 删n l c r 等人采用不同能流密度的飞秒激 光在厚5 0 u m 硅表面进行的烧蚀和切割比较能流 峰度分别是08 9 j i c m 2 。3 0 j c f 。50j c m 2 ，1 5 0j l c m 2 的烧蚀情况我们发现随着能流密度变大孔 边缘变得较为粗糙，另外图中的线切割速度固定为8 u m s ，能流密度分别为3 5 j c m 2 4 4j c m z 8 8j c 一1 7 1j c m 2 当速度保持一定，同样是能流密度 变大，边缘变得较为粗糙，并且飞溅物较多。圈l - 3 为新加坡精密工程纳米技 术研究中心的- ll i a n g 在铜基底上进行飞秒激光的等倾西环干涉图样。e 秒激 光聚焦c u 表面时，产生的嚼环干涉较为清晰。 0 8 9 j , c m = 3 0 j t c m -5o l c d 。 圈l _ 2 不同能流密度的飞秒激光在厚5 0 岫硅表面的烧蚀和切割图 犬津人学硕士学位论文 第章结论 ( a )( b ) 捌卜3 ( a ) 飞秒激光聚焦c u 表面上方5 0 0 u r n 产牛的圆环干涉 ( b ) 飞秒激光聚焦c u 表面产生的圆环干涉 到目前为止国内已有多个单位从事该领域的研究：如天律大学、北大物理 系，上海光机所，长春光机、南开人学、西安光机所等等。我国虽然对于飞秒激 光的认识相对较晚但相当重视激光纳米技术的研究，复旦大学利用分辨发射光 谱方法来研究短脉冲激光烧蚀钛靶过程产生的等离子体，井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。九十年代我国在细胞显微操 作过程利用飞秒激光的徽加工特性对细胞进行改造，飞秒激光在加工过程巾几乎 没有发生温度上升。这种温度上升会在瞬间变成压力波传到神经细胞，产生痛感。 因此，使用飞秒激光器可以实现无痛治疗“1 。在微型加工t 业领域，发展比较完 善的准分子激光器，铜蒸气激光嚣应用于多种材料的微光刻和徽成型。目前，飞 秒激光微加工以其更高的加工精度与更小的加工尺寸为激光加工业开拓了更为 广阔的应用领域。2 0 0 4 年，上海光机所的研究人员利用该实验室研制的掺杂不 同金属离子的玻璃，用飞秒激光。直写”井辅以特定的热处理在玻璃内部的 激光聚焦作用区实现了金属纳米粒子的空间选择性析出不久他们和日本科学家 合作用波长为8 0 0 纳米的单光束一b 秒擞光聚焦于熔石英内部制成条纹线宽窄达 2 0 h m 、周期约为 6 0 h m 的纳米光栅结构2 0 0 5 年8 月我国引进了第一台飞秒激 光设备用于屈光不正的矫正治疗，同年我国超高功率飞秒激光装置在四川绵 阳成功运行这是国内第一台输出功率达3 0 0 t 冒( 3 x 1 0 2 冒) 的超高功率钍宝石激 光装置基于多光子吸收和电离基础上的飞秒激光加工是一种。冷”的精确切割 1 二具，它不仅可以使机械加工得到前所未有的超高精度和清洁度同时还能够实 现对传统激光无法应付的超导体、半导体及内瓷等多种特殊材料进行表面与内部 加t 处理。幽1 4 为中国科技大学的研究人员利用脉冲宽度为8 0 r s 的飞秒激光 在s r 5 0 0e 加工出的微型齿轮与微型支撑架微型齿轮的齿顶圆为1 8 u = ，齿根 圆为1 2 u = 高1 4 u m 微型支掉架尺寸为3 0 u m x 2 5 u m x1 6 u m 。随着我国加工技术 天津大学硕i ? 学能论文 第一章绪论 的口趋成熟在微电子，微机电系统、生物和搓学等领域，e 秒擞光将发挥越来 越大的作用我国对于飞秒激光的研究必将随之越来越深入。 ( a )( b ) 罔i - 4 ( a ) 飞秒激光在s r 5 0 0 加工出的微型齿轮 ( b ) 飞秒激光在s r 5 0 0 加工出的微型支捧架 1 2 课题的研究意义和主要工作 飞秒搬光具有极高的峰值强度，精确的损伤鲫值热影响区小，加工精度高 等特点引起国内外研究者的极大兴趣。本文利用飞秒激光加工系统对飞秒激光 应用于不同材料表面的微结构加工理论进行了初步探讨，并使用波长7 7 5 n m 、脉 宽1 5 0 f s 、重复频率i k h z 的脉冲激光进行了材料表面烧蚀与切割实验，为飞秒 激光用于材料表面微结构加工的研究和不同材料加工工艺参数的确定提供了有 重要参考价值的数据。 论文的工作主要包括： 1 对飞秒激光在物质表面烧蚀和切割工艺的加丁机理及其在微结构加工中的应 用进行了研究 2 利用c p a - 2 1 l o i 飞秒激光加工系统对硅样品进行了一系列表面烧蚀实验，观测 飞秒激光对硅材料表面烧蚀的具体过程。 3 对多种材料的切割工艺进行了实验研究，分析了不同激光参数对于切割尺寸 及精度的影响。 4 利用原予力显徽镜、扫描电镜、光学显微镜等对加工的微结构进行了测试。 分析了加工中缺陷的产生原因，提出了相应的优化方案， 天津大学硕士学位论文第二章飞秒激光加工理论 第二章飞秒激光加工理论 2 1 激光与固体相互作用过程 无论是长、短脉冲激光还是连续激光，在烧蚀的初期都要进行热能的沉积。 第一步是能量激光向材料中的沉积，光能沉积的方式包括能量的空间、时间分布， 其总量值将决定最终的加工结果。第二步是激光影响区域的快速扩展，接着物质 从试件表面向外喷溅，直到最后等离子体向周围环境的扩散。第二步中材料的移 除又可分为三个过程：正常的蒸发，正常的沸腾与相变爆炸。决定哪个过程在烧 蚀中起主导作用主要有两个因素脉冲宽度和被烧蚀物质所达到的温度。理论 上，正常的蒸发在各种激光能流和脉宽下都能发生，但只有在时间尺度大于一个 纳秒时才能成为主导。正常的沸腾需要被烧蚀材料在受热过程中产生一定密度的 异质泡，这就需要足够长的激光能流和足够长的脉冲宽度；由于异质泡形成和散 射过程相对缓慢，当时间小于一百纳秒时，正常的沸腾进行的十分微弱。对于高 能流和短脉宽的飞秒激光脉冲而言，能量耦合时间大约为几十个皮秒，由于没有 足够的时间去形成异质核，熔融表层无法发生正常的沸腾。材料表面被快速加热， 通过沸点，达到温度的极限值，( 热动态平衡临界温度) ，这时过热液体的张力 降到了零阳引。同时，在材料内部，同质泡以相当高的速率产生。随后，当材料内 同质泡达到一定密度时，照射材料近表面区域爆炸性的转换成气体和平衡液体小 颗粒的混合物并立刻被排出体外。由此可见，对于超短激光脉冲( 亚皮秒量级) 而言，材料的移除主要是由相变爆炸引起的。换个角度看，超短激光脉冲作用时， 大量电子能在脉冲宽度的时间间隔内吸收光子能量达到极高的温度。脉冲结束 时，电子系统的温度远远高于晶格系统的温度，此时，材料仍处于“冷”状态。 脉冲结束后，电子系统和晶格系统之间发生能量耦合，晶格系统在极短的时间内 ( 皮秒量级) 达到很高的温度。超短脉冲作用的时间本身就很短( 几百个飞秒) ， 晶格系统的升温过程也在皮秒量级，在这么短的时间内的热传导是有限的。对于 长脉冲激光，当热烧蚀距离大于表层厚度时，加热和熔化的面积比较大，在熔解 喷溅的过程中物质的烧蚀伴随着在气体压力和光压的反作用驱动下的物质的移 动。这是个非常不稳定的过程，因为液态下的流体力学和驱动器内的气体条件是 非常复杂的。在钻孔和切割应用中，熔化的物质会在加工表面固化成非常不规则 的形状。另一方面，对于超短激光散射的能量分布在一个厚度为z ，的层面里。这 犬津大学硕l ：学位论文 第二章e 秒激光加工理论 一部分的能鬣将物质非常迅速从液态加热到高能气态( 远远高于t 化温度) 。物 质从表面直接气化到周离的空气中或者真空里。这些大部分都是布激光照射之后 发生的而物质将在相对更长的一段时间里被热扩散加热。由于物质被加热到气 化的温度因此形成的熔化层厚度要小些。接着由于温度下降得很快使得物质 根快冷却下来。热扩散对物质的影响南于根大一部分物质吸收的激光能量被直接 气化带走而削弱超短脉冲澈光由于没有经过藏卷过程，相对于长脉冲来说烧蚀 和物质移动都变得更加精确。 2 2 飞秒激光加工的特点 2 2 1 长脉冲激光加工中的热扩散问题 在长脉冲激光加工中，热动力学过程占据这。加工过程的主导地位，其中热 扩散效应的影响丰要表现为以下几个方面。 首先，热扩散从作用区域内不断地抽取其中的能量，降低了激光加工效率。 激光传导的能量有报大一部分被用于傲无用功的热传导被用于有用功的能量 减小，激光加工效率随之降低 圈2 - l 长脉冲激光加工 第二，热扩散也降低了激光聚焦点的温度，使得该点温度无法远大于材料的 熔点温度而仅处于熔融状态。当它继续沉积能量开始沸腾最终通过气化方 式将材料去除事实上，材料的沸晦会造成熔融区域内帔团的溅离，其中有些液 滴会相当太。由于它们保留了相当多的剩余热量，洒落后经过冷却凝结形成许 多颗粒碎片并非常坚同地附着在表面，造成材料污染如图2 一l 。一般除掉这些 熔溏污染物非常困难。 第i 热扩散降低了激光徽加工的精确度。热量从工作点扩散出去，导致了 、_! _ ) | 一嗡0 b 蠡 ljtif d l懈八1 砭 hi_卜i 天津大学硕士学位论文第二章飞秒激光加工理论 材料的熔融范围要远大于激光聚焦区域，因此很难实现非常精细的加工。或者可 以说，通过沸腾获得的材料去除范围不仅仅局限于光束的焦点尺寸。就是说，激 光加工的尺寸大于入射光束在材料中的聚焦尺寸。 第四，热扩散影响到环绕工作点附近的一大片区域，被称作“热影响区”。 热量通过“热影响区”的传播造成了机械应力，从而在周围材料中形成微观或者 宏观上的裂纹。当材料冷却后，这些缺陷就被“。冻结”在结构中。在随后的使用 中，这些裂纹甚至会传播到材料的内部深处、造成器件的永久损伤。另外，在环 绕工作点的周围会形成一个经过多次熔化凝结后的新材料层，这个重铸层与原有 材料有着不同的物理化学结构，它们的机械性能一般比较脆弱，必须设法去掉。 2 2 2 飞秒激光加工的机理 飞秒激光与各种材料作用的机理各不相同而且目前尚不十分清楚，还处于探 索阶段，但根据现有的实验现象和结果，总结了非线性吸收，雪崩电离与多光子 效应与阈值效应等几种理论h 副。 1 、非线性吸收 吸收激光能量是产生材料烧蚀、改性的第一步，这个过程涉及到线性或者非 线性吸收。对于波长较长的激光脉冲而言，吸收机理取决于两个因素。第一，吸 收机理随材料的不同而不同，例如金属中存在较多的自由电子，而电介质中自由 电子的数量较少，半导体居中，因此，材料吸收激光能量时的物理过程有所差别。 第二，吸收机理受激光强度的影响，强度较大时，会有较强非线性效应。换句话 说如果保持激光的能量不变，激光脉冲宽度越窄，强度越大，非线性效应变强。 2 、雪崩电离和多光子效应 由激光导致的崩溃现象首先是普通透明物质在强激光脉冲的作用下转换成 电离子，接着电离子吸收激光的能量加热物质并对其产生不可逆破坏。造成这种 崩溃的非线性过程是雪崩电离效应和多光子电离效应。如果1 个光子的能量大于 物质的电离能量和解离能量时，物质吸收1 个光子后，状态将会发生变化。因为 吸收系数不依赖于激光强度，离子数将会按照辐射强度成比例增加。而当最终状 态的能量大于1 个光子的能量时，加大激光强度，就会产生同时吸收多个光子的 多光子吸收现象。通过这种多光子吸收，一旦生成自由电子该电子将在激光场被 加速，得到运动能量( 逆制动辐射加热) ，与周围的原子或离子发生冲撞，产生 2 个电子，这种如同雪崩一样倍增电子的过程叫做雪崩电离，如图2 2 所示。 天津大学硕士学位论文 第_ 章飞秒激光加t 理论 ，二一多 0- 厂b - l v 一 r 9 一 图2 - 2雪崩电离效应 f 多 ，、j 。一， o 、 v 一旦达到离子雪崩，其后的激光吸收便受逆制动辐射过程控制，对于金属和 导电体材料来说没有差异。如激光脉宽比l o o f s 小，与电子碰撞造成的雪崩电离 相比，激光场造成的直接光电离效果不能忽视，因此材料的差异变得明显。这些 过程中生成的自由电子通过碰撞在l o o f s 以下的短时间内达到热平衡态。储存在 该电子体系的能量按皮秒级以声子形式释放出来，激发固体中的晶格振动。晶格 振动的能量变成热量扩散到固体中。这里，通过激光注入的能量第一次以被加工 物质的温度上升这种形式出现。此后的热量向周围传递取决于物质固有的热力学 特性。对普通的透明材料而言，在激光引起的烧蚀、改性发生之前，首先需要在 高强度的激光脉冲作用下转变成不透明的吸收等离子体。随后，不透明的等离子 体吸收激光能量发生烧蚀的过程与前面相似。普通电介质材料中，边界价电子产 生电离所需的能量大于激光光子的能量。当激光强度较低时，边界价电子无法吸 收能量。可是现实世界中，任何材料内均存在一定浓度的掺杂，这些杂质为雪崩 电离提供了种子电子。这时，种子电子在激光脉冲形成的电场中来回摆动，从整 个光学周期来看，自由电子并没有得到能量。然而，通过和价电子、晶格的碰撞， 自由电子速度相位发生变化，这就是焦耳加热过程，即反韧致辐射。通过这种方 式，自由电子能够得到超过边界价电子产生电离所需能量的动能。当雪崩电离使 得足够多的迁跃电子离子化后，就会产生一个具有特定密度的等离子体，原来的 透明物质被分解并变得可以吸收能量( 由于初始源电子的能量非常低，因此可以 忽略不计) 。对于纳秒级或更长的脉冲来说这个特定密度为l o 8 c m 一。我们标定 在这个密度上发生大规模的光子吸收从而产生不可逆的破坏。在更短的脉冲情况 下这个等离子体特性密度与激光波长的关系为： 2 m c 缈2 4 z c 2 公式( 2 - 1 ) 其中m 。是电子的质量，彩是激光的频率。 当雪崩电离效应产生的自由电子等离子体的密度到达一定的程度，准确地说 也就是激光波长所对应的等离子体浓度，就会产生不可逆的物质崩溃和烧蚀。电 天津大学硕十学位论文第二章飞秒激光加工理论 子通过和等离子相互碰撞获得激光能量被加热到很高的温度。电子同时向等离子 和晶格转递能量，物质被加热。激光照射过程中导致加热的能量传输值取决于脉 冲的宽度和能量耦合系数，吸收的能量中的一部分由于热学梯度会通过热传导向 焦点区域周围扩散，因此加热的区域比焦点区域要大。对于长脉冲，激光与物质 相作用时，由电子传到离子的能量很强，热扩散区域比焦点区域要大得多。电子 与光子处于一种热平衡或准热平衡状态，峰值温度较低。c w n 微秒级的激光脉冲 可以造成焦点附近大片的区域熔化但是其中只有一小部分能够达到气化的温度。 随着脉宽降低，激光的强度增强，相互作用时间减少。电子被加热到非常高的温 度，同时离子和晶格的温度要远远低于电子峰值温度。激光加工的过程中电子的 温度甚至能够达到电子伏的十余倍，而同时离子的温度仍然保持相对较低。接下 来当激光照射完毕后，电子离子能量转换很快会将离子加热到相对于长脉冲情 况下高得多的温度。作用区域的大部分物质以很快的速度经过熔化状态从而气 化。飞秒激光的脉冲宽度很短，而非线性吸收则会随着激光强度的增强而急剧增 加，所以在一定的激光强度下会发生多光子激发，电子在吸收光子之后从基态跃 迁到激发态。电子由基态跃迁到激发态，各能级的电子重新分布，很快达到准平 衡态，电子能量服从费米一狄拉克分布。在1 0 - 1 5 1 0 。2 s 时，电子通过发射声子使 其温度降低，由于与其它声子模式发生的相互作用，声子衰减。在热过程的最后 阶段，声子在整个布里渊区域按照玻色一爱因斯坦分布重新分布，因此激光激发 引起的能量分布可以用温度来表征。通常认为在激光能量沉积后的几个皮秒，能 量分布己接近热平衡态。而对于一个足够短的激光脉冲，能量的空间分布则由光 吸收决定。因此强吸收材料中可以产生大的温度梯度此时输运系数和材料光学特 性的影响较小，在l f i n s 左右出现热扩散h 引，当沉积的能量足够多时，材料的温 度达到熔点时，材料由固态向液态转变。 当超短脉冲激光与物质作用时，如果激光区域的能量非常强，透明物质的迁 跃电子可以通过多光子吸收效应直接电离。图2 - 3 中给出了这种效应的示意图。 迁跃电子通过连续的吸收激光脉冲中的坍个光子获得足够的能量从它的价带上 直接迁跃到自由状态或其它价带上。 m h v u 公式( 2 2 ) 其中，加是光子的能量，u ，是电离能量或能带差。这种现象叫做多光子电离现 象。由于它是一个所级过程，发生区域特别的小。只有在能量非常强的地方才需 要考虑这种现象。因此对于长脉宽，即崩溃能量比较低的情况下，多光子电离现 象可以忽略。然后对于超短脉冲来说多光子电离现象起到很重要的作用，因为它 决定了崩溃极限规律。 天津大学硕士学位论文第二章飞秒激光加工理论 ，八一 f ：毒 飞八，- j 、一 ，八，一f 夺 、，_ 、 飞八。 ? 一3 i 每 、 j 。 | | j l | - c 图2 3 多光子效应 激光导致的崩溃现象所消耗的时间取决于激光作用的强度。具体表现为一个 极限规律：对于指定的激光脉宽，只有激光的强度达到一个确定的极限时等离子 体的密度才能达到能够产生不可逆破坏的程度。通常用激光脉宽的一个部分，强 度极限( 单位面积上的能量) 来定义这个极限。为了研究激光在不同物质上产生 的崩溃现象已经进行了很多试验。结果显示激光脉宽的范围在c w 到数百皮秒的 范围内，崩溃主要是由雪崩电离效应产生的，并且在这个脉宽范围尺度上的崩溃 极限与脉宽的平方根成正比。 超短脉冲激光在崩溃极限上的不同表现显示出超短激光加工的不同的物理 机制。长脉冲加工时所表现的数据上的明显差距主要是源于自由电子在数值上的 差异。一般的物质由于杂质而产生的自由电子密度一般在1 0 81 0 o c m 3 范围内。当 激光聚焦在一个1 0 u m 的点上，相当于一个1 0 9 c m 3 的空间。由前面自由电子的密 度可知在这个尺度上自由电子的数目可能相差得非常大。短脉冲加工崩溃现象仍 然是由雪崩电离作用借助于多光子电离效应提供的源电子完成的。这种情况下自 由电子的密度可能非常高，但数值上并不表现出很大的不同。由此可知超短脉宽 激光导致的崩溃极限更容易确定，也就是说超短脉冲激光的崩溃极限更加的精 确。 3 、高速的能量注入 激光导致的崩溃现象所消耗的时间取决于激光作用的强度。具体表现为一个 阈值规律g 对于指定的激光脉宽，只有激光的强度达到一个确定的阈值时等离子 体的密度才能达到能够产生不可逆破坏的程度。通常用激光脉宽的一个部分，强 度阈值( 单位面积上的能量) 来定义这个极限。利用飞秒激光进行加工的最大特 点是与物质的热扩散速度相比，能更快的在激光照射部位注入能量，激光辐照区 淀积的能量难以通过热扩散的途径逸出辐照区域，照射的能量没有在照射区域外 损失，激光与物质相互作用的范围被严格限定从而得到有效利用。将材料的热扩 散系数设为d ，激光的脉宽设为五，激光照射时的热扩散长l 。可以用l n = ( d r ，) 为 表示，其中d = k ，p c p ，k 7 - ，p ，c p 分别表示热传导率、密度及热容量。可以 1 2 - ，、 一 天津大学硕士学位论文第二章飞秒激光加工理论 看出飞秒激光照射各种材料时的热扩散可以忽略，能量只在照射区积蓄，可以达 到以往激光加工所无法达到的高温高密度状态。 4 、避免等离子体屏蔽 另外飞秒激光照射固体表面时，将产生线性或非线性吸收，生成等离子体。 这种高温高密度等离子体从固体表面向外喷出，产生烧蚀。通常的激光加工中， 从固体表面喷出并膨胀的等离子体会吸收激光，通过等离子体中的热传导，使激 光能量注入加工领域。当照射激光的脉宽与等离子体的形成时间相比足够长时， 激光等离子体频率与照射激光频率达到平衡，即在临界密度领域被遮蔽，无法再 继续进入物体，这就是所谓的等离子体屏蔽。由于激光照射，固体表面产生的等 离子体从表面向外侧膨胀时的膨胀速度，。( z k 。丁肋，) y 2 ，这里的z 为离子价数， k b 丁为等离子体温度，肌，为离子质量。现在将等离子体温度设为几十电子伏时， 为1 0 6 c m s ，使用l o o f s 以下超短脉冲激光时，可以看到等离子体膨胀前，激光照 射就终止了。这也是使用飞秒激光在提高加工精度的同时又能提高效率的一个原 因。 5 、阈值效应 激光烧蚀现象的出现需要时间和相应的能量。这个过程具有阈值效应，对于 给定的激光脉冲宽度，只有当激光场强超过一定值的时候，才会产生不可逆转的 烧蚀。习惯上，将不同脉冲宽度时，烧蚀产生所需激光能流的大小作为阈值。从 连续光到几十个皮秒的激光脉冲，烧蚀机理是源于种子电子的雪崩电离。试验证 明这个量级脉冲宽度的平方根同烧蚀阈值成正比。而对于短脉冲，没有这个规律。 更重要的是，长脉冲时，有大量的统计波动，而短脉冲则无口劓。使用一个脉冲能 流强度能够产生烧蚀的可能性达到5 0 ，这个脉冲能流强度就被认为是阈值，如 图2 4 。对于长脉冲而言，试验中经常出现背离阈值的时候，有些能流低于阈值 的脉冲能够产生烧蚀，而有些能流高于阈值的脉冲却无法产生烧蚀。然而，对于 超短激光脉冲，情况有剧烈变化。烧蚀发生的阈值行为由统计意义变成确定的。 如图2 5 ，研究显示大约在l o o f s 的范围，崩溃过程中多光子电离效应的主要作用 就是提供自由电子。长脉冲和短脉冲引起烧蚀阈值行为上的差异证明了不同的脉 冲宽度，吸收能量的机理不同。长脉冲时的统计分散主要是因为种子电子的统计 分布。对于普通材料，种子电子的密度取决于掺杂，范围在1 0 8 - 1 0 1 0 c m - 3 。激光脉 冲聚焦后，焦斑尺寸在l o u m 左右，受到影响的体积在1 0 母c m 3 这个量级。因此，在 激光产生影响的区域内，种子电子的数量是各位数的量级，而且，由于统计波动， 实际的数量也是因点而异，各不相同。长脉冲时，雪崩电离导致了最后烧蚀的发 生，而引发雪崩电离的种子电子存在上述情况，致使雪崩电离引起的烧蚀表现出 很大的波动。短脉冲时，激光能够提供足够的场强，支持多光子效应，形成大量 天津大学硕。 ：学位论文 第_ 章飞秒激光加工理论 的种子电子，因此，这种情况下，并不需要杂质提供的种子电子。随后，随着雪 崩电离的发展，材料中不可逆转的烧蚀改性现象就产生了。这种情况下，种子电 子的密度相当高，而且没有剧烈的统计波动。那么，激光引起的烧蚀阈值也就更 加的稳定，与长脉冲引起的烧蚀阈值相比也要低很多。简单说来，使用短脉冲， 将会使烧蚀阈值变得更加精确，有利于控制能量达到精细加工的目的。 嘲 嚣 蠕 啦 删 量口 _ 正 臻 | 篁 li l t ) if 一”1 1jm ，嗍_ 0 0 o i q t ，z t l u3 4 l j u 兜；篼量t j e r a 图2 4 激光脉宽为7 n s 的烧蚀阈值分布 图2 - 5 激光脉宽为l o o f s 的烧蚀阈值分布 2 2 3 飞秒激光加工的优势 爨 袭 翌 露 厨 啪 群 置 飞秒激光用于加工的材料种类很多，烧蚀效果不尽相同，根据以上机理，针 对不同材料人们又提出了各种不同的解释模型，主要有以下2 种嘞1 。 1 、适用于绝大多数材料的阈值模型：长脉冲情况下电子被加热的同时将能量通 n o o 他 伸 油 谤i，lilll；tll-，ljfiljt-l，jj- q ，一 一 ， # 一 天津大学硕士学位论文第二章飞秒激光加工理论 过热传导传递给离子，电子与离子始终处在热平衡状态。而在飞秒激光的情况下， 如此短的时间内能量来不及传递给离子，因而在脉冲与电子相互作用过程中离子 保持相对低温，电子可以在很短的时间内被加热到很高温度。当光强超过一定的 数值时，电子可以获得大于费米能的能量而从靶中逃逸，而激光的有质动力又将 离子推向靶的深处，这样就得到一个由电荷分离而产生的静电场。离子在静电场 力作用下向靶外逃逸，从而造成烧蚀。研究表明：从连续波到脉宽几十个皮秒， 烧蚀过程是离子雪崩。该脉冲范围内，烧蚀阈值常常有很大的偏离，能量在很大 范围内均可引起烧蚀，然而飞秒脉冲的烧蚀阈值偏离很小，只有能量密度达到一 定值时才会发生烧蚀现象。因此，对于飞秒激光脉冲，可以适当地控制其激光能 流密度，使脉冲中心区域的能量超过烧蚀阈值，从而得到比焦点还小的特征结构。 利用材料具有特定烧蚀阈值的特性还可以克服衍射极限。 2 、库仑爆炸模型：库仑爆炸模型最初的提出是针对表面损伤。1 9 9 7 年，c h e n gh p 和g i l l a s p yjd 利用大规模分子动力学模拟研究硅表面的库仑爆炸。2 0 0 0 年 德国h e n y k m 等人分析了飞秒激光烧蚀蓝宝石，实验过程中使用飞行时间质谱仪 研究离子发射，发现最凸出的峰为a 1 + 和0 + 。分析了放射出的阳离子强度对激光 能流和激光脉冲数目的依赖关系及离子动能分布，表明基本的烧蚀过程是由于表 面爆炸即库仑爆炸所引起的。另外，该小组还对飞秒激光爆炸烧蚀n a c l 等宽带 隙晶体材料进行了研究，同样证实了库仑爆炸的合理性。2 0 0 3 年v a n a g a s 等人 利用具有纳焦能量的飞秒激光脉冲在硼酸硅玻璃形成丘状纳米结构，烧蚀机理与 库仑爆炸相一致。丘状烧蚀物没有明显的熔融和环形凹痕证实了在熔融或汽化之 前材料开始离开表面。受损部位的横向尺寸小于聚焦于样品表面的焦斑大小4 至 5 倍，这与多光子效应所致的破坏机理相一致。总的来说，各种材料的烧蚀模型 基本都与阈值模型相符合。材料表面加工利用库仑爆炸模型得到了合理的解释。 飞秒激光加工的机理决定了飞秒激光更适合于精密加工，如图2 - 6 ，相对于 长脉冲激光，其优势有以下几点h ： l 、极高的峰值强度。 由于脉冲宽度极短，就可以在较低的脉冲能量下获得极高的峰值激光强度， 例如：对1 0 f s 脉冲宽度激光，0 3 m j n 匕量就可在聚焦为直径2 姗的焦点达n 1 0 w c m 2 的峰值强度，而脉冲宽度为1 0 n s 的长脉冲激光，却要3 0 0 j 的能量才能达到同样的 峰值强度。 犬律丈学颂j 学惶论文 第二章e 秒激光加工理论 圈2 - 6 飞秒脉冲激光加工 2 、精确的损伤阁值。 脉冲激光的损伤阈值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已基本不变。所以。对于不同材料，飞秒激光脉冲烧蚀表 现山稳定的破坏闽值。因为在飞秒激光烧蚀中非线性吸收处于主导地位，能流 密度大于材料阑值时才有破坏现象出现。另外。激光的强度在空间上一般呈高 斯型分布，即入射激光经过聚焦后在焦斑中心的位置强度煨人趋向于焦斑边缘 时，强度运渐减弱。正如前面理论中所述若调节入射激光束，使得焦斑的中心 强度刚好满足材料的多光子电高胡值，则加工过程中的能量吸收和作用范围就被 仅限于焦点中心位置处的很小一部分体积内而非整个聚焦光斑所辐照的区域， 如图2 7 所示。另外由于超短脉冲激光的损伤阐值根糟确，因此将激光的能量 控制在正好等于或略高于损伤阈值，则只有高于损伤闽值的部分产生烧蚀，能进 行低于衍射极限的亚微米加工。 3 、热影响吒小，加工精度高。 飞秒激光在照射材