（物理电子学专业论文）飞秒激光微加工研究.pdf

摘要 本论文对飞秒激光应用于微纳加工领域进行了部分理论与实验研究工作。论 文的主要内容包括： 一使用约化后的双温方程对超短激光脉冲烧蚀铜薄片的过程进行了数值模 拟；基于超短激光脉冲烧蚀过程中，电子与晶格的温度不平衡性，分别模拟了这 两个系统的温升过程，并由此得到了单脉冲烧蚀深度：通过调整激光输出功率， 研究了脉冲能量对烧蚀深度的影响，模拟结果表明，随激光脉冲能量的增加，相 变爆炸( p h a s ee x p l o s i o n ) 弓 起的喷射出现的越早，同时材料烧蚀深度增加：理论计 算与实验结果相吻合。 二使用实验室购进的飞秒激光加工工作台进行了高能量飞秒激光加工工艺 研究。采用几种方法改进加工的质量，在此基础上进行了下述研究工作： 1 金属钻孔的实验研究。实现了在各种厚度铜薄片上的深孔加工，得到的 孔具有很高的质量，孔的入口和出口均有较好的几何形状。 2 金属切割的实验研究。使用飞秒激光进行微纳尺寸、高速、高质量的金 属切割。 3 掩膜。对光路进行调制，提高加工效率。 三使用振荡器产生的飞秒激光在透明有机材料p m m a 表面进行了刻划微结 构光栅的研究。理论分析得到飞秒激光参数、平台移动速度对线宽的影响，进行 了系统的加工实验，加工结果与理论分析基本吻合：在透明有机材料p 删a 表面 进行了多种光栅的刻划，并对刻划的光栅进行了衍射和色散测试，调整光栅的尺 寸和排列方式，得到了形状各异的衍射图案。 关键词：飞秒激光，微纳加工，加工工艺，深孔加工，微结构光栅 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，p a r to f 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 so nt h ea p p l i c a t i o n o ff e m t o s e c o n dl a s e ri nm i c r o - n a n o m a c h i n i n gf i e l da y ep r e s e n t e d t h em a i nc o n t e n t s i nt h i sd i s s e r t a t i o na y ec l a s s i f i e da sf o l l o w s 1 t h ea b l a t i o np r o c e s s i n go f c o p p e rf o i lw i t hu l t r a s h o r tl a s e rp u l s e sw a ss i m u l a t e db y t h ed o u b l e t e m p e r a t u r ee q u a t i o n ( d t e ) ，w h i c hw a sf o r m a t t e ds i m p l y t h ea b l a t i o n r a t eo ft h ec o p p e rw a sa t t a i n e do ut h eb a s i so ft h es i m u l a t i o no ft h ee l e c t r o n i ca n d l a t t i c e st e m p e r a t u r e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eg r e a t e rt h el a s e rf l u e n c ei s ， t h e l o n g e rt h e d u r a t i o no fa b l a t i o nl a s t sa n dm o r em a t e r i a li sr e m o v e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa y ea c c o r d e dw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s 2 i no u ri n v e s t i g a t i o n so nm a c h i n i n gt e c h i n c sa th i g hl a s e rf l u e n c e ，ac o m m e r c i a l f e m t o s e c o n dl a s e rw o r k s t a t i o ni su s e d s e v e r a lm e t h o d sa r ea d o p t e dt oi m p r o v et h e q u a l i t yo f m a c h i n i n g ，a n da tt h es a m et i m es o m er e s e a r c h e sa r ec a r r i e do u ta sb e l o w s ( a ) d r i l l i n ge x p e r i m e n t a lr e s e r c h e s ：t h ed r i l l e dh o l e sh a v ev e r yg o o dc y l i n d r i c a l g e o m e t r ya n dh i g hq u a l i t y ( b ) c u t t i n ge x p e r i m e n t a lr e s e r e h e s ：w i t hm i c r o - n a n os i z e ，h i g hs p e e d ，g r e a tq u a l i t y , c u t t i n gc o p p e rf o i le x p e r i m e n t sa l ef i n i s h e d ( c ) m a s k i n g ：i no r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fm a c h i n i n g , t h eb e a mo f f e m t o s e c o n dl a s e ri sm o d u l a t e db ym a s k 3 r e s e r c ho na b l a t i o nw i t hf e m t o s e c o n dl a s e ro nt h es u r f a c eo f o r g a n i c m a t e r i a l ( p m m a ) h a sp r o c e e d e d t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ec h a r a c t e r so f f e m t o s e c o n dl a s e r , t h es p e e do f3 - ds t a g ea n dt h ew i d t ho fl i n ei so b t a i n e db y c a l c u l a t i o n t h ea b l a t i o ne x p e r i m e n ti sa c c o m p l i s h e d c o m p a r i n gt h ee x p e r i m e n t r e s u l tw i t ht h ec a l c u l a t i o n ，w ec o u l dg e ts o m ec o n c l u s i o n s ，w h i c ha r ev a l u a b l ef o r s e l e c t i n gr i g h tc h a r a c t e r so f l a s e ra n ds p e e do fs t a g et og e ts a t i s f y l u gw i d t ho f l i n ea n d c o n t i n u i t y i nt h ee x p e r i m e n t ，t h ef e m t o s e c o n dl a s e rp u l s e sa r ed i r e c t l yg e n e r a t e db y t h et i ：s a p p h i r eo s c i l l a t o r s o m ek i n d so fm i c r o s t m c t u r eg r a t i n g so nt h es u r f a c eo f p m m aa r es c o r e d d i f f e r e n td i f f r a c t i o np a t t e r n sa r ep r e s e n t e da sr e s u l t so fd i f f e r e n t s i z ea n da r r a yo f g r a t i n g s k e yw o r d s ：f e m t o s e e o n dl a s e r , m i c r o u a n om a c h i n i n g ，m a c h i n i n gt e c h n i c s ， d e e ph o l ed r i l l i n g ，m i c r o s t r u c t u r eg r a 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，也不包含为获得盘注盘茎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 圆 签字日期：五僻，月f2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基洼盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫注盘堂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：缛b 乏l 司 签字日期：如f 年月，2 日 导师签名：- 1 觋4 导师签名： 签字日期：口年坨月王f 日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 人类社会的发展总是伴随着科学技术的创新。从中国古老的四大发明到公元 十八世纪中叶的蒸气机，从爱迪生的第一盏电灯到现在无所不在的网络世界，科 学技术承载着人类的梦想，不断探索着未知世界。时间进入二十一世纪，人类对 自然界的认识朝着细化、深入的方向不断迈进。在对微观世界的认识过程中，原 有的技术手段渐渐显露出了不足和先天性的弊端，越来越精细的需求使得人们又 开始了新一轮的技术探索之旅。 1 9 1 7 年，爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。1 9 6 0 年，美国人梅曼( t hm a i m a n ) 发明了世界上第一台红宝石激光器。梅曼利用红 宝石晶体做发光材料，用发光度很高的脉冲氙灯做激发光源，获得了人类有史以 来的第一束激光 1 】。4 0 年来，激光科学技术经历了长足的发展，逐渐成为一项推 动人类社会向前的重要技术。二十世纪后期，超短超强激光一一飞秒激光的诞生 为这门技术注入了新鲜的血液，大大拓展了应用范围，呈现出更为广阔的研究前 景。 那究竟什么是飞秒激光呢? 飞秒是一个时间量级，具体讲就是千万亿分之一 秒( 1 0 “5s ) 。它究竟有多短呢? 举个例子来说，光速v = 3 1 0 8 m s ，即一秒内 可以传输三十万公里，相当于绕地球转七圈半。如果给它乘上飞秒这样一个时问 量级，那么，它能够传输的距离就要用微米单位来衡量了。 简单来讲，飞秒激光就是通过一系列技术手段在时间上将激光分解成以飞秒 来衡量的若干小段。 由于脉宽极窄，相对较低的脉冲能量就能够获得极高的峰值功率。未放大的 飞秒激光脉冲可以达到兆瓦( 删) 量级，放大后，峰值功率更可以达到 1 0 2 1 w c m 2 。这样的电场强度相当于氢原子束缚其核外电子库仑场的上百倍。在 这种电磁场的作用下，电子的振动能可达i o m e v 。这样强的激光与物质互作用时， 可以产生高次谐波、x 射线、中子射线、1 0 “g 的加速度，等等。其中，许多极 端的物理条件是地球上所不存在的，使用现有的其它技术手段也无法得到的【2 】。 飞秒激光脉冲具有的上述诸多特性，为许多科学研究提供了强有力的技术支 天津大学硕士学位论文第一章绪论 持，使得人们对超短、超强物理现象的深化认识成为可能。其中主要包括：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：研究微观原子结构中电子的能级跃迁过程；模拟受控核 聚变中的点火触发过程等等。此外，由于飞秒激光脉冲具有非常宽的频谱成分， 在生物医学和化学分析领域也具有极为广阔的应用前景。所涉及的学科包括：物 理学，化学，生物医学等等。 飞秒激光脉冲研究的发展，也孕育了新的学科领域。例如，飞秒纳米光子学 ( f m e t o n a n o p h o t o n i c s ) 就是国际上刚刚起步并具有重大基础研究背景和巨大应 用前景的一个研究方向。顾名思义，“飞秒纳米光子学” 3 1 是研究在时间上为飞 秒量级，空间上为纳米尺寸的光子行为以及其与物质相互作用的规律。目前，国 际上该领域研究的方向主要集中在：微纳米精密加工、近场光学、微纳米结构光 纤。 1 1 飞秒激光加工的特点 飞秒激光脉冲本身具有两个主要的特点：窄脉宽、高功率。 众所周知，激光做为一种有效的工具广泛的应用于各种加工领域，出于一种 惯性，大家很自然的就把飞秒激光同烧蚀、加工联系在了一起。经过大量的理论、 实验研究，人们发现飞秒激光应用于材料烧蚀时，其烧蚀机理有别于长脉冲激光 加工，所得到的结果在某些方面也优于长脉冲激光加工【4 】o 飞秒激光加工的主要特点如下： 热影响区小：飞秒激光照射金属材料表面，电子吸收光子能量发生跃迁在瞬 间完成，物质由固态转变成离子态吸收能量，随后在光压的作用下，排出体外， 整个过程所持续的时间远小于晶格热传导的时间，烧蚀发生的区域小于光斑照射 的区域，其周围的材料仍然处于“冷”状态。因此，飞秒激光加工金属材料时， 与长脉冲不同，烧蚀区域周围没有像火山口一样的堆起和大面积的熔融区，内壁 光滑、形状规整，加工质量非常好。图l 一1 给出了不同脉宽激光加工对比图， 图a 是飞秒激光照射材料所得到的圆孔，边缘清晰、熔融区小，整体形状比较好； 图b 是皮秒激光照射的材料，边缘粗糙，洞口周围有明显的隆起，较远处有水波 纹一样的形状分布p l 。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 图1 一la ，b 分别用飞秒、皮秒激光脉冲在钢薄片上钻孔得到的图像。 可加工各种材料：同长脉冲激光相比，飞秒激光脉冲通常可以较容易的达到 很高的强度。如前文提到过的，飞秒激光脉冲经过放大后，峰值功率可以达到 1 0 2 1 w c m 2 ，这样强的激光脉冲聚焦后作用于材料时，非线性吸收效应成为主导， 可在金属、半导体、有机透明，等各种材料表面及内部实现烧蚀改性、破坏，从 而达到微纳加工的目的。 图1 2 飞秒激光在( i ) 玻璃，( i d 硅，( i i i ) f e p ，( i v ) 钢表面加工的微型结构 天津大学硕士学位论文第一章绪论 屯砂搬竞酥h t 堡鞴断擀状分布 材料烧蚀阈值 图l 一3 飞秒脉冲实现小于光斑尺寸烧蚀原理示意图 精确的阈值：对于各种不同的材料，使用飞秒激光脉冲烧蚀均表现出稳定的 破坏阈值。这个特点主要从两个方面体现出来。一方面，对于各种不同的材料， 只有当能流密度大于材料的阈值时才有破坏现象发生。这是因为在飞秒激光脉冲 与物质作用的过程中，非线性吸收处于主导地位。另一方面，使用飞秒激光脉冲 烧蚀材料时，烧蚀破坏区域小于光斑尺寸。这是因为飞秒激光脉冲强度在空问上 呈高斯型分布，只有中间强度较高的部分激光脉冲的能量高于材料的破坏阈值， 形成烧蚀；而边缘强度较低的部分激光脉冲的能量低于材料的破坏阈值，没有烧 蚀现象。图1 3 给出了飞秒激光脉冲与材料表面作用时的示意图。 如前文所述，同长脉冲激光相比，飞秒激光加工具有热影响区小、可加工各 种材料、闽值精确的特点。因此，使用飞秒激光脉冲进行加工时，很容易获得高 精度、高重复性，微纳尺度的高精度加工。 1 2 飞秒激光加工研究进展 1 2 1 飞秒激光加工理论研究现状 飞秒激光脉宽窄，强度大，照射在材料上，会引发强烈的烧蚀，但是其机理 有别于传统的长脉冲激光烧蚀。1 9 7 5 年，苏联学者s i a n i s i m o v 第一个提出了 短脉冲烧蚀金属材料的双温模型 6 】。该模型使用一维非稳态热传导方程，描述了 天津大学硕 。举位论立弗一幸绪论 e 转擞竞脎h - 竖茹斯形状分布 村謇l 烧蚀趣位 圈l 一3 飞秒脉冲实现小于光斑尺寸烧蚀原理示意圈 糖确的阈值：对于各种不同的材料，使用e 秒激光脉冲烧蚀均表现出稳定的 破坏阈值。这个特点主要从两个方面体现出来。一方面，对于各种不同的材料， 只有当能流密度大于材料的阈值时才有破坏现象发生。这是因为在飞秒激光脉冲 与物质作用的过程中，非线性吸收处于主导地位。另一方而，使用飞秒激光脉冲 烧蚀材料时，烧蚀破坏区域小于光斑尺寸。这是因为飞秒激光脉冲强度在空间上 呈高斯型分布，只有中问强度较高的部分激光脉冲的能量高于材料的破坏阈值， 形成烧蚀；而边缘强度较低的部分激光脉冲的能量低于材料的破坏阔值，没有烧 蚀现象。图l - - 3 给出了飞秒激光脉冲与材料表面作用时的示意图。 如前文所述，同长脉冲激光相比，飞秒激光加工具有热影响区小、可加工各 种材料、闽值精确的特点。因此，使用飞秒激光脉冲进行加工时，很容易获得高 精度、高重复性，微纳尺度的高精度加工。 1 2 飞秒激光加工研究进展 1 2 1 飞秒激光加工理论研究现状 飞秒激光脉宽窄，强度天，照射在材料上，会引发强烈的烧蚀，但是其机理 有别于传统的长脉冲激光烧蚀。1 9 7 5 年，苏联学者s i a n i s i m o v 第一个提出了 短脉冲烧蚀金属材料的双温模型【6 】。该模型使用一维非稳态热传导方程，描述了 短脉冲烧蚀金属材料的双温模型嘲。该模型使用一维非稳态热传导方程，描述了 天津大学硕士学位论文第一章绪论 屯砂搬竞酥h t 堡鞴断擀状分布 材料烧蚀阈值 图l 一3 飞秒脉冲实现小于光斑尺寸烧蚀原理示意图 精确的阈值：对于各种不同的材料，使用飞秒激光脉冲烧蚀均表现出稳定的 破坏阈值。这个特点主要从两个方面体现出来。一方面，对于各种不同的材料， 只有当能流密度大于材料的阈值时才有破坏现象发生。这是因为在飞秒激光脉冲 与物质作用的过程中，非线性吸收处于主导地位。另一方面，使用飞秒激光脉冲 烧蚀材料时，烧蚀破坏区域小于光斑尺寸。这是因为飞秒激光脉冲强度在空问上 呈高斯型分布，只有中间强度较高的部分激光脉冲的能量高于材料的破坏阈值， 形成烧蚀；而边缘强度较低的部分激光脉冲的能量低于材料的破坏阈值，没有烧 蚀现象。图1 3 给出了飞秒激光脉冲与材料表面作用时的示意图。 如前文所述，同长脉冲激光相比，飞秒激光加工具有热影响区小、可加工各 种材料、闽值精确的特点。因此，使用飞秒激光脉冲进行加工时，很容易获得高 精度、高重复性，微纳尺度的高精度加工。 1 2 飞秒激光加工研究进展 1 2 1 飞秒激光加工理论研究现状 飞秒激光脉宽窄，强度大，照射在材料上，会引发强烈的烧蚀，但是其机理 有别于传统的长脉冲激光烧蚀。1 9 7 5 年，苏联学者s i a n i s i m o v 第一个提出了 短脉冲烧蚀金属材料的双温模型 6 】。该模型使用一维非稳态热传导方程，描述了 天津大学硕士学位论文第一章绪论 光子与电子，电子与晶格之间的相互作用过程，列出了电子与晶格温度变化的微 分方程。飞秒激光烧蚀物质机理研究逐渐成为研究热点。九十年代初，克尔透镜 锁模机理的提出p 1 和完善，使当时的飞秒激光技术发生了质的飞跃，完成了从染 料激光器到克尔透镜锁模钛宝石飞秒激光器的过渡，以及后来二极管泵浦的全固 态飞秒激光器和飞秒光纤激光器，这一系列的发展使获得飞秒激光脉冲变得轻而 易举，降低了飞秒激光应用研究的门槛，使更多的学者进入这个领域。整个二十 世纪九十年代飞秒激光的应用研究进行的如火如荼8 ，9 , 1 0 , 1 1 , 1 2 , 1 3 】。 二十世纪九十年代中期，众多学者对烧蚀机理进行了大量的研究。其中，1 9 9 6 年，德国学者b n c h i c h k o v 对双温方程进行了进一步的简化。他将激光脉宽分 为三个量级，飞秒、皮秒、纳秒，以此为基础分别对双温方程进行约化，得到了 不同脉宽时烧蚀率的解析表达式，同时也在理论上证明了飞秒激光脉冲烧蚀金属 材料时，有较小熔融区。为了验证理论计算的正确性，b n c h i c h k o v 使用一定 范围内可调谐脉冲宽度的掺钛蓝宝石激光器进行了金属烧蚀的实验研究，实验结 果很好地证明了这一点。1 9 9 7 年，美国学者g m o u r o u 带领的小组对飞秒激光烧 蚀机理进行了比较系统的研究和总结【l “。并认为，使用飞秒激光烧蚀材料时， 非线性吸收占主导地位，因此，表现出较强的阈值效应。在随后的几年里，大量 学者对飞秒激光烧蚀金属材料的两个特性一一熔融区小、阈值精确，进行了卓有 成效的研究工作。 相对于金属材料而言，激光与电介质相互作用的系统理论研究开展的较晚。 1 9 9 6 年，美国学者j p l o n g t i n 在高强度、短脉宽的激光与液体相互作用的研 究过程中，提出了饱和吸收效应【l ”，认为分子在高强度的飞秒激光脉冲照射下 由基态达到激发态，同时，分子对能量的吸收系数也相应的发生变化。该理论模 型的部分结果得到了实验的证明。1 9 9 7 年，美国学者g m o u r o u 提出了多光子吸 收效应，很好的解释了飞秒激光作用于电介质材料时所引起的能量吸收过程，理 论上证明了烧蚀电介质材料也存在很强的闽值效应。实验中，将飞秒激光照射在 材料表面，调节激光能流大小，通过接收散射的等离子体证明了阈值的存在，与 理论结果十分一致。j p l o n g t i n 将饱和吸收与多光子吸收效应相结合，提出了 新的热吸收模型，并进行了实验验证【l “。 飞秒激光脉冲与各种材料互作用的系统理论研究很好的揭示了烧蚀机理，明 天津大学硕士学位论文第一章绪论 确了非线性吸收效应在其中的主导地位，为接下来开展的应用研究奠定了良好的 理论基础。 1 2 2 飞秒激光加工应用研究进展 任何技术的存在与发展都离不开实际应用的强烈需求。如前所述，飞秒激光 各个领域里表现出很强的“生命力”，得到了众多学者的期待。这种期待推动着 飞秒激光技术的快速发展，同时，反过来，飞秒激光技术的发展也使得其应用的 触角伸向各个领域。在此，仅就其在微纳加工领域中的应用研究进行简单的介绍。 2 0 0 3 年，德国学者使用飞秒激光脉冲在不锈钢薄片上进行了深孔加工。加 工时没有使用特殊的气体环境、后续的工艺步骤，加工得到的深孔边缘清晰，表 面干净，具有高重复性，充分体现了飞秒激光脉冲加工金属材料的特点【1 7 】。 图l - - 4 使用飞秒激光在l m m 厚的不锈钢薄片上进行深孔加工 相对于金属材料而言，飞秒激光加工电介质材料的应用研究起步较晚，但是 在光通讯迅速发展的大环境下，仍旧得到了许多学者的关注，进行了大量的研究 工作1 ”。 使用飞秒激光脉冲照射透明材料内部，引发电离使聚焦照射区域的材料改 性、折射率增大，形成光波导、光开关等光学器件；在各种材料上加工各种周期 形状的微型结构，其中上海光机所使用飞秒激光在硅玻璃表面刻划的达曼光栅具 有非常好的衍射效果口0 1 。图1 5 l 一1 2 给出了部分加工结果图。 天津大学硕士学位论文第一章绪 论 图1 5 硅玻璃表面的菲涅耳环形盘图1 6 硫化物玻璃中的l o u m 波导分束器 ( a ) 珏e o 穗l a s e r ( b ) 2 5 i m 图1 - - 7a ，b 玻璃中加工的波导光开关及其原理图 天津大学硕士学位论文第一章绪论 图l 一8 在蓝宝石晶体上刻划的纳米周期结构 图1 9 熔融硅表面的周期结构图1 一1 0 硅玻璃表面的达曼光栅 图1 1 1 硅材料上加工的光纤耦合器圈1 - - 1 2 聚和体上加工的微型透镜 天津大学硕士学位论文第一章绪论 由于飞秒激光具有“冷”加工、热影响区小、闽值精确的特点，部分学者将 其用于牙科、眼科手术，取得了很好的效果。图1 1 3 给出了使用飞秒激光进行 眼角膜手术的示意图。 睽b o 2 一，一。 _ 。一“、 ? jf i i ；_ - 、j t 0 r? 图1 1 3 使用b 秒撤光进行眼角膜手术 到目前为止，欧美许多国家的大学和研究单位都开展了这方面的研究工作。 如：美国的密歇根大学、麻省理工大学、加利福尼亚大学、欧洲的汉诺威大学等 许多大学均设立了飞秒激光加工研究小组。亚洲相对来说起步比较晚，日本京都 大学平尾一之教授领导的研究小组，日本大阪大学河田教授等对飞秒激光与有机 树脂作用的研究作出了很多出色的工作0 1 ，2 2 l 。此外，新加坡的南洋理工大学也进 行了许多研究工作【2 3 】。 国内的大学和科研机构，如天津大学、南开大学、北京大学、上海光机所、 长春光机所、西安光机所等也相应开展了该领域的研究工作。 1 3 论文的主要工作 1 3 1 论文的主要工作 1 在前期调研工作的基础上，从理论上分析了飞秒激光脉冲与材料作用的过程。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 从双温模型出发，介绍了飞秒激光烧蚀材料的理论模型。 2 使用约化的双温方程模拟了飞秒激光脉冲烧蚀金属材料的过程，采用有限差 分法进行了数值计算。理论计算了飞秒激光单脉冲能流密度同烧蚀深度之间的关 系，得出了烧蚀过程中电子和晶格系统温度的变化过程。使用飞秒激光加工工作 台进行了实验研究，理论和实验结果吻合的较好。 3 使用飞秒激光加工工作台进行了系统的铜薄片烧蚀实验。采用多种方法进行 了表面烧蚀、钻孔的工艺研究。在不同厚度的铜薄片上获得了高质量的直径 1 0 0 u m 的通孔。进行了切割和掩膜的实验工作。 4 使用本实验室自行搭建的纳焦飞秒激光进行了加工工艺的研究。对飞秒激光 加工平台进行了测试，获得了飞秒激光加工系统的各项参数。在此基础上，使用 实验室已有的设备完成了加工工艺研究的工作，确定了飞秒激光能量，平台移动 速度对刻线宽度，稳定性的影响，并进行了微结构光栅的刻划。通过改变光栅的 周期结构可以有效对光束进行各种调制。 天津大学硕士学位论文第二章飞秒激光加工理论模型 第二章飞秒激光加工理论模型 飞秒激光脉冲作用于物质形成烧蚀是一个综合的、复杂的过程，涉及到能量 的吸收、等离子体的形成、相态的转变、物质的移除等等。本章从双温模型出发， 介绍了模拟烧蚀的数学方法。在简化的双温模型的基础上获得了能流密度闽值、 烧蚀深度等参数。进一步阐述了能量吸收的物理机制及其与加工特点之间的关 系。 2 1 与金属作用过程的数学模型 2 1 1 双温模型 飞秒激光脉宽窄、强度高，烧蚀材料时，吸收机理有别于传统的长脉冲激光。 第一，飞秒激光的强度高，自由电子吸收能量，在脉冲持续时间内( 3 0 - - 2 5 0 b ) 达到几十个电子伏特( 1 e v = 1 1 6 0 0 k ) 的高温，此时，相对而言，晶格仍处于“冷” 状态。第二，飞秒激光脉冲持续时间很短，电子与晶格之间的能量交换主要发生 在脉冲结束后。晶格在较短的时间内，被加热到几千度的高温，随后在光压的作 用下，被排出体外，这个过程，众多学者形象的将其称作相变爆炸。可以看出， 在飞秒激光脉冲照射的整个过程中，被烧蚀材料没有时间经过或者说来不及转化 成液相就已经被排出材料体外了，因此，由于材料液相不存在，热传导引起的诸 多弊端被有效的克制了。 众多学者进行了大量的研究，建立了数学模型，对短脉冲烧蚀材料这个物理 过程进行了描述。其中，得到大家一致认同的是由苏联学者s i a n i s i m o v 于1 9 7 4 年提出的双温模型。 e ( 正法正= 鲁k 杀l - g ( t 司蝴( x , t ) 2 - 1 j c ，l = g ( t 1 ) 2 2 其中，t 代表温度，c 代表热容，下角标e 和i 分别代表电子和晶格系统。k 代表电子热导率，g 是耦合系数，s ( x , t ) = ，( f ) ( 1 一r ) a e x p ( 一a x ) 是激光热源。 在双温模型中，将电子和晶格分成两个系统，如图2 1 所示，分别描述其 天津大学硕士学位论文 第二章飞秒激光加工理论模型 温度变化过程。方程式2 1 右边第 一项是热传导项，考虑了电子之间 能量传递的因素；第二项是耦合项， 考虑了电子和晶格之间的能量耦合 因素；第三项考虑了电子对激光能 量的吸收。方程式2 2 右边说明了 晶格温度的变化是由与电子之间的 能量耦合引成的。综合考虑以上因 图2 - - 1 材料吸收激光能量过程示意图 素，双温模型将材料温度变化的过 程清晰的呈现在我们眼前。 2 1 2 不同时间量级的双温方程化简 为了能够对烧蚀过程进行定量的研究，可以将激光脉冲在时问上划分为三个 区域，飞秒、皮秒、纳秒，脉宽用以表示。电子吸收激光能量、电子温度升高、 冷却、晶格温度升高、烧蚀发生构成了材料吸收激光能量产生烧蚀的整个过程。 在这个过程中，有两个重要的时间段：电子从吸收能量到冷却的过程；晶格温度 升高的过程，分别用t = e g ，t = c g 表示。接下来，针对激光脉冲的不同 时间区域，实现对双温方程的化简。 2 1 2 1 飞秒 首先考虑激光脉宽短于电子冷却时间的情况，气t 。在式2 一l 中，当t t 时，e t f g t ，那么，电子与晶格之间的能量耦合就可以忽略不计了。这样， 方程2 1 就转化成一元微分方程，求解就很容易了。材料吸收激光能量的过程 涉及到两个深度的概念。一个是光注入表层深度= l 口，另一个是热扩散深度 岛= d 气，d = k c 是材料热扩散系数。当激光脉宽达到飞秒量级时， 屯= d 吒 厶丁芯) d 1 2 2 1 6 f 吒p a d “2 艺2 2 - 1 7 使用长脉冲烧蚀材料时，热波有足够的时间传输进入材料，产生了相当大的 熔融材料层。在这种情况下，存在大量的液态金属，因此，不难想象，使用纳秒 脉冲进行高精度加工是有一定困难的。 2 2 能量吸收的物理机制及其与加工特点之间的关系 同长脉冲相比，使用飞秒激光脉冲进行加工具有以下特点：热影响区小、可 加工各种材料、阈值精确等等。高功率密度下，被烧蚀材料吸收能量的物理机制 是飞秒激光加工特点的内在原因，下面将从这个角度进行分析。 2 2 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，因此，材料吸收激光能量时的物理过程有所差别。第二，吸收 机理收到激光强度的影响，强度较大时，会有较强非线性效应。换句话说如果保 天津大学硕士学位论文 第二章飞秒激光加工理论模型 持激光的能量不变，激光脉冲宽度越窄，强度越大，非线性效应越明显。具体情 况如图2 2 所示。 图2 2 非紫外激光脉冲照射时，被烧蚀材料能量吸收机理示意图 非紫外激光烧蚀透明材料，能量吸收是一个非线性过程；当脉冲强度较高时， 所有材料( 包括金属材料、电介质材料) 对能量的吸收都会涉及到非线性过程。 2 2 2 多光子效应 对于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金属的情况相似。 雪崩电离、多光子电离是两个主要的非线性吸收过程：在普通透明电介质材 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，即反轫致 天津大学硕士学位论文第二章飞秒激光加工理论模型 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。在下一次与价电子的碰撞中，将会形成两个自由电子。这个过程的不断复制 就被称为雪崩电离。当形成的自由电子浓度达到个临界点时，透明材料就被破 坏了，并且开始吸收激光能量。对于长脉冲，习惯上将1 0 ”4 看作是透明材料 发生破坏所需的临界浓度。对于短脉冲，临界浓度与激光波长的平方成反比， ”，= m e w 2 ，4 9 e 2 ，m 。是电子质量，w 是激光角频率。当等离子体达到临界密度时， 等离子体振动频率等于激光频率，这时材料就变得完全不透明了。 超短脉冲激光与物质互作用时所形成的场强非常高，透明材料中的价电子通 过吸收多个光子直接发生电离，具体过程可参考图2 2b 。 凡b 。一f b 、。i 一 凡1 ) 吵 ( a ) ( b ) 图2 2 ( a ) 雪崩电离过程示意图( b ) 多光子电离示意图 b ：1 。 一澎 一个价电子通过同时吸收多个光子m h v _ u ，从边界能级或价带被提升到自 由能级或导带，枷是光子能量，是电离边界价电子所需的能量，这个过程被 称作多光子电离。这是一个m 阶的过程，只有在场强非常高的区域，才会显著 的发生多光子电离，因此这个区域相当小。长脉冲时，较难达到足够的光功率密 度，多光子效应可以忽略。短脉冲时，多光子效应成为主导。 2 2 3 阈值效应 照射透明材料时，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 小做为阂值。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 一，h、。n曲， ，卜v 韶扰 ， b ，矿弋 。，i口v兰 天津大学硕士学位论文第二章飞秒激光加工理论模型 崩电离。试验中证明这个量级脉冲宽度的平方根同烧蚀阈值成正比。而对于超短 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 没有。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 强度就被认为是闽值。对于长脉冲而言，试验中经常出现背离阈值的情况。有些 能流低于阈值的脉冲能够产生烧蚀，而有些能流高于闽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。烧蚀发生的阂值行为由统计意 义变成确定的【1 4 】。 长脉冲和短脉冲引起烧蚀阙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 ”c m 。3 内。激光脉冲聚焦后， 焦斑尺寸在1 0 a m 左右，受到影响的体积在1 0 。9 c n 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 的波动如图2 3a 所示。 (a)(b) 图2 3 在熔融硅中激光脉冲引起烧蚀等离子体散射与注入激光能流的关系( a ) 脉冲宽度7 n s ( b ) 1 7 0 力 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。研究表明，使用低于l o o 声 的超短激光脉冲烧蚀材料时，多光子电离为烧蚀的发生提供了足够多的种子电 天津大学硕士学位论文 第二章飞秒激光加工理论模型 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。 在这种情况下，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。 2 3 本章小结 在前期调研的基础上，从双温模型出发，介绍了模拟飞秒激光脉冲烧蚀金属 材料的数学模型。阐述了高功率密度下，被烧蚀材料吸收能量的物理机制，并由 此分析总结了飞秒激光适于精细加工的理论基础。 天津大学硕士学位论文第三章模拟飞秒激光脉冲烧蚀铜薄片 第三章模拟飞秒激光脉冲烧蚀铜薄片 飞秒激光多应用于微纳尺度的精细加工，定量的研究很有必要。本章使用双 温模型数值模拟了材料的快速加热过程以及超短脉冲加热引起的材料移除过程。 估算了烧蚀阈值，不同能量时的烧蚀深度以及烧蚀过程中电子和晶格系统的温度 变化过程。在理论计算的基础上，进行了实验验证。 3 1 材料移除的物理过程 脉冲激光烧蚀金属及类金属材料，材料移除主要涉及三个过程【2 4 1 。( a ) 正常 的蒸发，( b ) 正常的沸腾，( c ) 相变爆炸( p h a s ee x p l o s i o n ) 。决定哪个过程在烧 蚀中起主导作用主要有两个因素一一脉冲宽度和被烧蚀金属所达到的温度。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【2 5 】，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t , o ( 热动态平衡临界温度) ，这时过热液体 的张力降到了零。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，超短激光脉冲作用于金属材料时，雪崩电离产生的大量电子在 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，热传导产生的影响是相当有限的。 天津大学硕士学