第三章 先进制造工艺技术(激光加工).ppt

激光的起源,1916年，38岁的爱因斯坦发表了一篇论文。提出了一种受激吸收和发射的观点。所谓受激吸收就是一个光子照射一个原子，原子吸收光子后光子消失，原子中的电子从较低能级跃迁到较高能级；受激发射则是光子照射处于较高能级的原子，原子发射出一个跟照射光子频率相同的光子，从而得到两个光子。这一观点竞成为未来激光领域的开山之斧。,激光的起源,1957年汤斯和肖洛的提出激光器设计理论为激光领域作出了划时代的贡献，这期间原苏联科学家普洛霍罗夫和巴索夫也提出了相似的理论。随后，汤斯、肖格和普格霍罗夫、巴索夫等人都分别开始了世界上第一台激光器的研制，但是由于一些技术上的原因，他们都失败了。在1957年10月哥伦比亚大学的原子束共振实验室博士研究生古尔德（汤斯）开始了制造激光器的实验。1957年11月26日，把他的前期的工作称为“利用辐射的受激光发射进行激光放大的可能性的若干粗略计算”，提出了“激光”这一崭新的概念。同时，古尔德提出了。激光用于雷达测距和通信系统”。,激光的起源,美国休斯实验室量子电子学部的负责人梅曼于1960年7月，从红宝石激光器实验装置中射出一束红光，这标志着世界上第一台激光器的诞生。在这台红宝石激光器发明后约半年，美国IBM公司的年轻的科学家索洛金和史蒂文森研制了世界上第二台、第三台激光器：但是这两台激光器未能获得实用，远不及1960年12月研制的世界上第四台激光器，即由美国贝尔实验室贾范发明的，目前还在广泛应用的氦氖激光器。值得指出的是，我国在激光领域起步也较早。王之江等人于1961年也研制成功了我国第一台激光器“红宝石”激光器。,激光的基本概念,电子围绕原子核旋转的动能和原子核吸引电子具有的位能构成了整个原子的能量，即原子的内能。在无外力作用下，原子的内能是不变的。在外力的作用下，如果电子和原子核的距离增大，则原子的内能增加；如果电子和原于核的距离减小，则原子的内能也要相应地减小。,激光的基本概念,电子围绕原子核旋转时，只能处于某些特定的轨道上，即原子只能具有某些特定的内能。原子的内能不能连续改变。一般把原子中分裂成一挡一挡的能量称为原子的能级，电子处于不同的核外轨道上就对应了不同能级。原子处于的最低能级称为基态即电子离核最近位置而其余能级称为激发态或高能态。,激光的基本概念,由于某种原因激发到高能级的原子在该能级具有一定的寿命。这种寿命是非常短的，一般为107s左右。原子在各个能级的寿命有长有短，基态的寿命最长；在原子中存在着亚稳态，寿命相对较长为103S左右，称为亚稳态能级，这是激光形成的重要条件。,激光的基本概念,外力作用使原子由低能级过渡到高能级的过程叫做激发。根据能量最低原理，原子总是力图使自己处于能量最低态。因此“干方百计”地使自己由高能级向低能级转移。这个过程称为跃迁。没有受到外界的作用，仅由其本身运动的结果所导致的跃迁，称为自发跃迁。如果这份能量转变为热能或者其他形式的能量。就称之为无辐射跃迁：如果这份能量转变为光能，则称为自发辐射跃迁。外来光子的带动是导致原子从高能级向低能级跃迂的又一原因称为受激辐射跃迁。,激光产生过程及特性,自发吸收-电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶自发辐射-电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶受激辐射-光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并释放光子。由受激辐射跃迁产生的光子跟外来的光子有着相同的特征：频率相同：相位相同，偏振方向相同；传播方向相同。而自发辐射的光子则没有这些特征。在原子中还存在着受激吸收过程。同样如果入射到原于上的光子频率满足E2一E1的条件，则处于低能级E1的原子有可能吸收这个光子的能量，被激发到较高能级上去。这时，不但得不到两个光子，反而消失了一个光子这就是受激吸收过程。,粒子数反转的状态,原子首先吸收能量，跃迁至受激态。原子处于受激态的时间非常短，大约10-e-7秒后，它便会落到一个称为亚稳态的中间状态。原子停留在亚稳态的时间很长，大约是10e-3秒或更长的时间。电子长时间留在亚稳态，导致在亚稳态的原子数目多于在基态的原子数目，此现象称为粒子数反转。粒子数反转是产生激光的关键，因为它使透过受激辐射由亚稳态回到基态的原子，比透过自发吸收由基态跃迁至亚稳态的原子为多，从而保证了介质内的光子可以增多，以输出激光。,激光器的组成,(1)放大介质放大介质(以下称为激光介质)是指在外界能量的激励下，可以在其原子的某两个能级间满足粒子数反转的物质。某种激光介质可以使某个或者某些持定频率(由达到粒子数反转的两个能级决定)的光得到放大最终得到激光输出。激光介质可以是气体、液体、固体和半导体。根据激光介质的小同。可以把激光器分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器、化学激光器及染料激光器等。,(2)泵浦源,泵浦源的作用就是使激光基态能级的原子被激发到较高能级，在激光上能级和下能级之间达到粒子数反转的条件：不同的激光器类型采用不同的泵浦激励方式。固体激光器一般采用闪光灯或者半导体激光进行泵浦。,(3)反射镜与谐振腔,要想获得单色性(接近单一频率)和方向性好的激光我们必须选则一定传播方向和频率的光信号，使其只有最优的放大作，而抑制其他方向和频率的光信号。可以在激光介质的两头加上两块相互平行的反射镜，这对反射镜所形成的是激光谐振腔。光波在腔内来回反射并跟原子发生作用，持续不断地产生受激辐射，这个方向的光就越来越强，大量的发光粒子相互关联地向着一个方向发光，这样我们就获得了激光。为了引出激光，一块反射镜对激光是全反射的。另一块是部分透过的，激光在装有部分透过反射镜的一端输出。,(4)振荡条件,客观上还存在着不利于激光振荡的一面，即放大介质和谐振腔造成的光在腔内的损耗，如果损耗的光子数大于放大的光子数。则显然激光就不可能产生。光在腔内的损耗包括：光在反射镜上由于透射、吸收和散射产生的损耗，光由于放大介质的有限孔径、放大介质的不均匀性而造成的衍射、散射损耗；放大介质的吸收损耗等。要使光能够在腔内来回振荡形成激光必须要求光在谐振腔内单程得到的放大比单程的损耗要大、这就是激光能够振荡的条件。,红宝石激光的示意图,固体激光器,激光器的工作方式,(1)连续激光(2)脉冲激光(3)巨脉冲激光(4)超短脉冲激光,激光的特点,(1)良好的单色性(2)良好的方向性(3)高亮度(4)极好的相干性,激光加工方法,打孔；切割；微调；表面改性；存储等。,激光加工机理,利用热效应加工。影响加工有的参数：激光照射焦面上能量分布，发射角，焦距，最小束斑直径加工材料等。,激光加工设备,激光器：激光发生器（固体、气体、液体、半导体激光器）电源：包括电压、时间控制，触发器，储能电容器等光学系统：将激光引入聚焦物镜并聚焦于工件机械系统：包括基座、工作台等,激光加工的特点：,加工精度高（束径r1m，超微细非接触加工）加工材料范围广泛（各种金属、非金属材料和难加工材料）加工性能好（无须在防护内进行，无须工具）加工速度快，效率高；价格昂贵。,激光加工的各种应用,激光打孔示意图,激光打孔时孔实例,在铝上刻槽,在钼上打直径为100um的孔,在厚度为1.1mm的铝上打直径为200um的孔,激光打孔时孔实例,在陶瓷上打直径为25um的孔阵列,在硅片上打直径为6um的孔阵列,蓝色激光加工光盘,激光加工用于多层光学光盘,电子束加工,电子束加工的原理电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高(106一109wcm2)的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间(几分之一微秒)内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走。控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就可以达到不同的加工目的。,加工特点,束径小，能量密度高（束径r=1000.1m，长度可达束径几十倍，适合深孔加工）；被加工对象广泛（热效应和化学效应加工）；加工速度快，效率高；控制性能好，易于实现自动化（通过磁场或电场对电子束的强度、束径、位置进行迅速、准确的控制，自动化程度高。易于实现加工图形、圆孔、异形孔、盲孔、锥孔、弯孔及狭缝等。）由于电子束加工是在真空中进行，因而污染少，加工表面不氧化，特别适用于加工易氧化的金属及合金材料，以及纯度要求极高的半导体材料。电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，价格较贵生产应用有一定局限性。,电子束加工的应用,(一)高速打孔电子束打孔已在生产中实际应用，目前最小直径可达0.003mm左右。例如喷气发动机套上的冷却孔，机冀的吸附屏的孔，不仅孔的密度可以连续变化，孔数达数百万个，而且有时还可改变孔径，宜用电子束高速打孔，高速打孔可在工件运动中进行，例如在0.1mm厚的不锈钢上加工直径为0.2m的孔，速度为每秒3000孔。,利用电子束热效应的加工,低功率密度、中等功率密度、高功率密度照射,(二)加工型孔及待殊表面,电子束不仅可以加工各种直的型孔和型面，而且也可以加工弯孔和曲面。,(三)电子束刻蚀,在微电子器件生产中，为了制造多层固体组件，可利用电子束对陶瓷或半导体材料刻出许多微细沟槽和孔来，如在硅片上刻出宽2.5微米，深0.25微米的细槽，在混合电路电阻的金属镀层上刻出40微米宽的线条。还可在加工过程中对电阻值进行测量校准，这些都可用计算机自动控制完成。,（四）电子束焊接,由于电子束的能量密度高，焊接速度快，所以电子束焊接的焊缝深而窄，焊件热影响区小，变形小。电子束焊接一般不用焊条，焊接过程在真空中进行因此焊缝化学成分纯净，焊接接头的强度往往高于母材。电子束焊接可以焊接难熔金属如钽、铌、钼等。也可焊接钛、锆、铀等化学性能活泼的金属。对于普通碳钢、不锈钢、合金钢、铜、铝等各种金屑也能用电子束焊接。电子束焊接可焊接很簿的工件，也可焊接几百毫米厚的工件。电子束焊接还能完成一般焊接方法难以实现的异种金属焊接。如铜和不锈钢的焊接，钢和硬质台金的焊接，铬、镍和钼的焊接等。,2.10.3.3离子束加工,原理：离子束力效应及其溅射现象。离子质量电子质量，加速时间长，但可以达到10kev的量级。加工是通过弹性碰撞，轰击加工表面具有强穿透力，表层不产生热量，无机械应力和损伤。,2.10.3.3离子束加工(续),碰撞模型：一次溅射二次溅射回弹溅射排斥离子置换离子一次碰撞中传递的能量E=4E0m0m/(m0+m)（E0：入射离子能量；m0：被撞击粒子质量；当m0和m相等时，E取极值。）,离子碰撞过程模型,2.10.3.3离子束加工(续),加工方法：溅射去除（芯片的刻蚀）；溅射镀膜（原子、分子级附着加工，制作金属化合物、合金和氧化薄膜等）；注入加工（材料成分、结构、性能变化，用于半导体的掺杂、材料改性等）；离子束暴光（灵敏度、分辨率高，可实现线宽0.1m的精密暴光）,离子束加工装置,加工装置由离子源、真空、控制、电源系统等组成；离子源分为：双等离子体（高密度）；离子簇射型（离子流，能量低，但稳定，用