DPSS激光微加工技术9.doc

266nm DPSS激光微加工技术Ronald D. Schaeffer博士大约十年以前，第一台商业化二极管泵浦固态(DPSS)激光器正式诞生，其可用波长为355nm。这种激光器的光束为高斯分布，模式接近TEM00模，M2接近为1。光束的高斯分布和所能得到的高重复频率使得这种激光源十分适合用于材料的切割，钻孔或者是打标。大部分的材料对于355 nm波长的激光响应很好，本刊英文版曾介绍过其用于聚合物加工 (ILS, May 2002) 和金属加工 (ILS, December 2004) 的比较结果。DPSS激光器还有许多其他吸引人的特质，如表格中所示。但其中最引人注目的是，一旦启动激光器，它可以连续工作几千小时而几乎不需要任何的维护措施。就我们所知，目前266 nm商用激光器中具有最高平均功率的是3W Avia系列激光器。 当使用激光器进行材料加工时利用的是材料的吸收特性(比尔定律)。通常，材料吸收的能量越多，加工结果越好。此外，加工过程干净而且精确，热影响区域小，其关键是打在材料上的激光具有峰值的功率密度，同时，脉冲能量大，脉宽短且光斑小，并且能量百分之百被吸收。因为波长更短的原因，通常在相同的光学系统条件下，我们使用266 nm的激光比355 nm 的激光所得到的光斑更小，脉宽更短。我们发现，使用355 nm激光能够做到的，使用266 nm激光都同样能够做到，并且后者通常效果更好(但速度上并非总优于前者)，并且，我们使用266 nm激光可以进行许多使用355 nm激光不能进行的加工。 大部分266 nm激光器使用振镜式导光系统，这种系统既简单又有效。场透镜的焦距决定了光学分辨率和工作距离，不过大部分的光学装置有1英寸到6英寸的场，光斑大小范围从10到30微米。我们安装了一套特定的系统，使用了Scanlab的三轴扫描头，它具有30英寸的场距。如果使用同轴的辅助气体，那么也可以使用固定的导光系统，但是对于大部分的应用来说，速度的降低将带来不便，但对于大批量应用来说是例外，这种情况下光束在材料上画出简单的直线，如晶圆切割。在其他涉及圆圈，圆弧，或者更复杂图形的应用中，振镜是迄今最典型和有效率的方法。 DPSS激光器的巨大优势在于，它可以在几乎不需任何设置要求的情况下，将CAD文件输入到激光控制软件中，从而降低设置时间和成本。与准分子激光器相比，只要软件足够好， 对DPSS激光器进行设置是直接并且方便的。 如果你需要紫外光，那么355 nm 是最佳选择，266 nm是次好选择，最后是准分子激光。这里并不是否定准分子激光技术，而是因为这种激光与DPSS激光相比非常的昂贵，并且很难操作，不过还是有许多的加工由准分子激光器来进行最为有效，而且还有许多的加工是其他激光器所不能做的。准分子激光器更适合在对尺寸、切口整洁程度的要求高于速度和成本的场合。尤其是当得到的图案尺寸小、密集又一致时，使用这项技术可以比较合算。 图1 使用266 nm激光对陶瓷机心轴上生物相容性材料的切割 图2. 使用266 nm激光在玻璃内部打标记 图3. 使用266 nm激光切割Teflon塑料 图4. 不锈钢切割的对比：(a) 355 nm 和 (b) 266 nm。 图5. 氧化铝切割对比：(a) 355 nm和 (b) 266 nm图1给出了在陶瓷机心轴上生物相容性材料的切割。切口是利用266 nm激光切割的，可以看到的激光切口干净而平整，与常用于该加工的193 nm激光器所能得到的结果类似。当然，这里需要一些技巧，但是在这种材料上得到很好的切口是可能的，实际上该材料可以吸收足够的能量，但是它对于加热极其敏感。随着生物相容性材料作的支架代替金属支架，可以预测，仅于对此产品也将有几百台266 nm激光器被投入使用。 图2给出了一个在玻璃里标记的二维代码。通常，即使使用了紫外激光，表面标记也会产生一些微裂痕或者碎屑，但是266 nm激光使得我们可以真正在块状材料内部得到可读的标记，并且该标记不会产生可扩散的压力。 图3给出了用266 nm激光切割的Teflon材料。其独特的地方在于，在266 nm附近，材料对能量的吸收并不多，但激光切割时又能很好的象193 nm激光或者更好的157 nm激光一样来熔融材料。这样，我们得到的加工条件让我们能在更快的速度下得到准分子激光加工的质量，并且不需要对光路抽真空或者进行净化程序。 图4给出了两幅对不锈钢加工的图片，厚度为1.2 mil，入口处D仅有120 m，中心之间的间距为170 m。非常明显，355 nm激光(a)虽然表现也不错，但是266 nm激光得到的结果更好。 同样的结果在图5中也可以看到，该图中，同样大小和间距的孔打在8 mil厚的氧化铝陶瓷上。对比性的试验(图4和图5)中应用的光斑大小 (约为15 m)，目标材料上的能量密度，扫描速度等等参数都几乎相同，唯一不同的是DPSS激光的波长不同。 2002年的文章中，我们曾谈到，“希望紫外激光光源能够提供具有很短的脉宽 (1 ps或者更小)，高重复频率 (50 kHz)，高功率 ( 10 W)，低M2的光束，还必须保证光束平顶并且准直，同时所有的元件集中在一个简洁和可靠的机器外壳中。”现在，所有的要求都已经可以实现，只是，元件还不是都在同一个机器外壳里。后来，我们改变了对脉宽的要求，现在我们认为脉宽小于1 ns也能够接受，并且我们使用4 ns激光得到了非常不错的结果。对于266 nm的激光，10 W的输出还没有实现商业化，并且从我们与不同的制造商的讨论来看，虽然每个人都“希望得到更高功率”，但是没有人真的往这个方向去发展至少他们目前还没有表明有这样的意向。人们也可能考虑到五次谐波得到的213 nm激光的同样问题，但是，似乎没有人在进行这个波长激光器的开发，这主要是因为近期没有明显的市场需求以便在短期内以很高的价格卖出机器。如果我们打算列出我们新的清单，我们只会在上述的条目里面加上，我们希望所有的元件可以都组合到一台光纤激光器架构中。 事实上，我们非常希望有紫外光纤激光器，即使脉宽在几十个纳秒也可以。紫外光纤激光器目前正在研究中，并且在几年内将成为现实，但是很可能无法短期内实现商业化。266 nm光束整形器件已成为可能，这将是我们下一步研究目标。 综上所述，目前高精度加工领域的竞争核心是关于短波长短脉宽激光加工技术的较量。现在已有的几种紫外激光光源在许多不同的场合中得到应用。DPSS技术平台的扩展，包括266 nm激光的使用，与355 nm激光相比，开拓了更多方面的应用，比如对玻璃材料的标记和打孔，对医疗设备的清洁加工尤其是对在长波长处能量吸收效果不佳的材料，对薄金属板几乎无毛边的加工，以及对陶瓷进行干净的打孔。我们总在寻找一流的最新激光器，以帮助我们满足更多的用户需求，希望新的一年将带来新