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飞秒激光微细加工 文档副标题 姓名 姓名 学号 学号 班级 班级 1 7 飞秒激光微细加工飞秒激光微细加工 摘要摘要 本文简单地介绍了微细加工技术和飞秒激光及其特点 原理 并列出几个典型的飞秒激光加工技术的应用 分析了该技术相对其 他维系加工技术的优势所在 最后分析飞秒激光微细加工技术的发 展趋势和应用前景 关键词关键词 飞秒激光 微细加工技术 飞秒激光微细加工 引言引言 随着时代发展 各种新兴的加工工艺不断出现而改变了现代 加工方式 虽然其仍在发展之中 有其局限性 但随着研究的深入 新技术的引用 而使其愈加完善 微细加工作为一种新兴的加工方 式 在现代加工行业的地位愈显重要 用飞秒激光这一前沿科技进 行微细加工 有其独特的优点 而成为了微细加工工艺中一个重要 的分支 1 微细加工简介微细加工简介 微细加工 microfabrication 是指制造微小尺寸 尺度 零件的 生产加工技术 微细加工是为微传感器 微执行器和微电子机械系 统制作微机械部件和结构的加工技术 他起源于半导体制造工艺 原来是只加工尺度约在微米级范围的加公方式 1 而它现在所指的 加工等级的范围已经扩展到纳米级 微细加工在半导体继承电路上 的应用 使得大规模集成电路和计算机技术得到了发展 而它现在 2 7 已经涉及到各种现代加工方式 特别是微机械研究和制造上已经成 为了必不可少的基础环节 2 飞秒激光简介及其特点介绍飞秒激光简介及其特点介绍 飞秒 femtosecond 也叫毫微微秒 是一种标衡时间长短的计 量单位 1 飞秒只有 1 秒的一千万亿分之一 飞秒激光是人类目前 在实验室条件下所能获得最短脉冲的技术手段 2 飞秒激光技术不 仅可以获得超短波长的激光 产生瞬间高功率 而且可以高密度聚 集而使电磁场强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍 这 样在短时间去除较浅深度的物质所引起的变形量就小 飞秒激光主要特点 超短脉冲 飞秒激光是我们人类目前在实 验条件下能够获得的最短脉冲 瞬时高功率 飞秒激光有非常高 的瞬间功率 它的瞬间功率可达百万亿瓦 比目前全世界的发电总 功率还要多出上百倍 精确定位性 飞秒激光具有精确的靶向聚 焦定位特点 能够聚焦到比头发的直径还要小的多的超细微空间区 域 由上述特点可以看出飞秒激光在维系加工领域的前景 3 飞秒激光的加工机理飞秒激光的加工机理 3 准分子激光加工的物理过程大致可分为以下几个阶段 自由电子吸收激光能量 运动加速 高能量电子与原子碰撞 产生更多的自由电子 产生雪崩过程 电子与晶格碰撞 使得晶 格温度升高 并使其融化 气化和等离子体出现 晶格之间传递 能量使作用区域扩散 飞秒激光进行微加工时 其起始物理过程就 是物质内部自由电子吸收激光能量 对于长脉冲 它不能迅速产生 3 7 自由电子 完全依赖介质内部已经存在的自由电子 而这种自由电 子的分布对小空间而言 随机性很强 这就造成长脉冲激光进行加 工时的随机性和不确定性 从而使得长脉冲激光不能进行极为精细 的加工 而飞秒激光由于脉冲短 峰值功率高 与物质相互作用时 发生强烈的多光子吸收过程 在极短时间内产生数量确定的大量自 由电子 克服了物质本身在小空间范围内固有自由电子分布的随机 性 从而保证后续物理过程的确定性 大大提高了飞秒激光加工的 精细程度 4 4 飞秒激光加工的类型及典型应用飞秒激光加工的类型及典型应用 利用飞秒激光去除物质 对加工对象进行精细雕刻 大部分微 纳米机械部件都属于这一类型 它在微机械领域有着重要的应用 图 1 是利用飞秒激光在金属上加工的六角形网格 它用于超高速扫 描摄像机中 5 图 1 用飞秒激光在金属上的加工的六角形网格 利用飞秒激光使聚合物变形加工成各种微型器件 图 2 所示是 用飞秒激光逐点扫描法加工出的纳米牛 6 4 7 图 2 用飞秒激光逐点扫描法在集合材料内部加工出的纳米牛 利用飞秒激光对加工对象进行局部改性 如折射率的改变 它 在光通信领域中的光波导 光分束器 光耦合器 微型光栅和光开 关等微光学领域中具有广泛应用前景 微 纳米区域的物质转移 它是利用飞秒激光将特定的物质 搬移 到特定的部件上 形成及其精密的特定物质图案 如掩模 等 它在微电子学中有着功能 双光子聚合 7 它是将超短脉冲激光经高倍显微物镜聚焦到 光敏聚合物材料里 利用双光子激发光聚合形成固化 通过控制感 光材料的空间移动生成三维立体微结构 未曝光的材料用溶剂溶解 掉 则得到所需的固化三维结构 图 3 和图 4 分别为用双光子飞秒 激光加工出的微纳齿轮和光镊驱动齿轮 图 3 双光子加工出的微纳米齿轮 8 图 4 双光子加工的光镊驱动齿轮 9 5 特殊材料的飞秒微细加工特殊材料的飞秒微细加工 由于飞秒激光加工的非热机制 所以对于一些特殊的金属材料如 5 7 单晶超级合金 其加工过程要求不破坏零件基体本身的围观结构 否则起性能将大大降低 是一种有效的加工方法 飞秒激光加工非晶合金 由于非晶合金处于亚稳态 起物理化学性质及力学性能会随非晶 合金的结构弛豫和晶化发生变化 所以高效 无晶化的加工技术对 非晶合金应用至关重要 为解决此问题 可使用飞秒激光对非晶合 金进行无晶化微细加工 先对非晶合金进行线切割 再利用飞秒激 光对非晶合金打孔 飞秒激光的脉冲能量密度为 50 薩 cm2 脉冲 宽度 45 100fs 中心波长为 800nm 重复频率为 lKHz 10 飞秒激光烧蚀铌酸锂晶体 铌酸锂晶体在低于 1210 摄氏度时呈铁电性 当温度吵过此温度 时呈顺电性 而高能流密度飞秒烧蚀铌酸锂晶体会使其拉曼光谱在 880cm 1处的 峰值急剧降低 11 6 飞秒激光微细加工与其它微细加工技术的比较飞秒激光微细加工与其它微细加工技术的比较 在第 2 节中我们提到了飞秒激光的各种特点 由此 可以得出采 用飞秒激光加工材料与其它微细加工技术相比较具有如下优势 加工孔径的熔融区很小或没有 飞秒激光的持续时间远远小于晶格 热传导时间 在其与物质相互作用时 其能量吸收严格限制在极小 范围内 并在极短时间内使电子温度达到极高 使物质从固态变为 等离子态 迅速以喷射形态脱离加工体 其周围的物质仍然处于 冷状态 因此 与长脉冲比较 飞秒激光加工的边缘极其整齐和 6 7 精确 并能克服热效应所带来的一切弊端 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 加工区域可以小于聚焦尺寸 突破衍射极限等 一般激光加 工 其横向尺寸大于激光波长 这是由于衍射规律的限制 虽然飞 秒激光也受衍射规律的限制 其焦斑尺寸不可能小于半个波长 但 由于其峰值功率极高 和物质相互作用时不是单光子过程 而是多 光子过程 这样 具有高斯横向分布的飞秒激光光束和物质相互作 用时不是在整个焦斑范围内 而是远远小于光斑 因此加工尺度可 达 1 20 波 长 即数十纳米 12 7 飞秒激光超微细加工技术的发展趋势飞秒激光超微细加工技术的发展趋势 随着微机电系统领域对微型制件需求量的不断增长和质量要求的 不断提高 微细加工技术也在不断发展和完善 以满足微型制件的 要求 传统的微细加工方法加工三维微小模具型腔 虽然工艺简单 实用 而且不需要太大的投资 但其加工型腔尺寸太大 精度太低 为了适应微制品零件更多的要求 飞秒激光微细加工技术以其高加 工技术分辨率 非常小的热影响 广泛的应用范围正受到人们的广 泛重视和深入研究 其发展趋势是如何更好的将飞秒激光技术和超 微细加工技术结合起来以及如何快速廉价的获得飞秒激光及其加工 装备 而使飞秒激光微细加工技术得到更加广泛的应用 7 7 文献参考文献参考 任正义 机械制造工艺基础 高等教育出版社 2 摘自互动百科 3 王清月 张国雄等飞 秒激光微纳米加工技术 2003 年中国机械工程学 会年会论文集 微纳制造技术应用专题 机械工业出版社 4 傅建中 胡旭晓 微系统原理与技术 机械工业出版社 5 Meijer J Du K Gillner A et al Laser machining by short and ulltrashort pulses state of the art and new opportunities in the age of photons CIRP Annals 2002 51 6 Kawata S Suh H B Tanaka T et al Finer feature for functional microdevices Nature 2011 412 7 袁大军 蒋中伟等 复杂结构的飞秒激光双光子微细加工 2003 年机械 工程学会年会论文集 微纳制造技术应用专题 北京 机械工业出版社 2003 8 Tbmokazu Tanaka Rapid sub diffraction limit laser micro nanoprocessing in a threshold material system Applied physics letters 2001 80 2 312 314 9 Peter Galajda Pal Ormos Complex mieromaehinines produced