飞秒激光加工超光滑光学表面综述模板

1、飞秒激光加工超光滑光学表面综述精密和超精密加工技术、 制造自动化是先进制造技术的两大领域， 精密工程、精细工程和纳米技术是现代制造技术的前沿， 也是未来制造技术的基础 。超精密加工是一门新兴的综合性加工技术， 它集成了现代机械、 电子、测量及材料等先进技术成就，使得目前的加工精度达到了 0.01 m 级，极大地改善了产品的性能和可靠性 。超光滑表面加工技术是超精密加工体系的一个重要组成部分， 在国防工业、信息产业民用产品的制造中占有非常重要的地位且有着广泛的市场需求，具有良好的发展前景 。科技的进步极大地推动了技术的发展， 随着光学领域和微电子学领域及其相关技术的发展， 对所需材料的表面质量的

2、要求越来越高 。大规模和超大规模集成电路对所用衬底材料的表面精度提出了很高的要求； 短波段光学的发展尤其是强激光技术的出现， 对光学元件表面粗糙度的要求极为苛刻 。从而产生了超光滑表面的概念，并出现一系列用于进行超光滑表面加工的技术和方法 。超光滑表面具有以下主要特征 1 ：（ 1） 表面粗糙度小于 1nm Ra，对于光学元件，表面粗糙度小于 1nm RMS(粗糙度均方根值 )，（ 2） 尽可能小的表面疵病与亚表面损伤 ；（ 3） 表面残余应力极小；（ 4） 晶体表面具有完整的晶体结构 ，即表面无晶格错位。超光滑表面的加工手段有抛光和超精密机械加工等，而抛光应用得最广泛。超光滑表面加工的对象是

3、晶体、 陶瓷等硬脆性材料。 超光滑表面主要应用于现代武器惯导仪表的精密陀螺的平面反射镜、 激光核聚变反射镜、 大规模集成电路的基片、计算机磁盘、磁头和蓝宝石红外探测器窗口的透镜等。对于各种超光滑表面的抛光加工手段，根据在加工过程中工件和抛光盘之间的接触状态可分为 3种类型：直接接触、准接触和非接触 。 在各种抛光方法中的接触状态均只属于其中一种，并在抛光过程中基本保持不变 1,2 。1. 直接接触抛光直接接触抛光是指抛光盘和工件在抛光过程中直接发生接触，依靠抛光磨料的机械磨削作用和抛光盘的摩擦作用去除材料。浴法抛光、Teflon法抛光等都属于这种接触方式。2. 非接触抛光非接触抛光是指使工件与

4、抛光盘在抛光时不发生接触，仅用抛光液冲击工件表面，以获得完美结晶性和精确面型的加工表面的抛光方法。EEM、浮法抛光、激光抛光等都属于这种接触方式。该方法的去除量极小， 可用于加工功能晶体材料元件 (强调表面的晶格完整性)，也可用于加工光学元件 (强调高面形精度和极低的粗糙度值 )。3. 准接触抛光准接触抛光是指，在抛光过程中产生的动压使抛光盘和工件之间存在合适的间隙。化学机械抛光便是典型的准接触抛光。随着材料表面技术的发展， 表面抛光技术成为了一个越来越重要的技术。 抛光技术又称镜面加工技术， 是制造平坦而且加工变形层很小、 没有擦痕的面加工工艺。在工业应用中， 对材料表面粗糙度的要求越来越高

5、， 已经从微米级 亚微米级 纳米级 亚纳米级。为了满足应用的需要， 已经有多种抛光技术被应用在工业生产中。抛光技术有：机械抛光、超声波抛光、化学抛光、离子束抛光、电解抛光、流体抛光、磁研磨抛光、激光抛光等。这些抛光技术在电子设备、精密机械、仪器仪表、光学元件、医疗器械等领域得到广泛的应用。超光滑表面的抛光机理：一般原子直径小于 0.3nm，而超光滑表面的微观起伏的均方根值为几个原子的尺寸， 因此实现超光滑表面加工的关键在于实现表层材料原子量级的去除。 传统的抛光理论认为， 抛光是由磨料的机械磨削作用、 抛光液的化学作用和工件表面材料的热流动共同作用的结果。 对于超光滑表面的抛光，其材料去除的方

6、式不外乎也是通过机械的作用和化学的作用， 区别在于作用的方式有所不同。 在硬脆性材料的超光滑表面抛光中， 磨料的机械作用表现在以塑性的方式产生切屑。提出了塑性磨削理论，他认为如果将磨削深度控制在几十纳米到几个纳米之间， 硬脆性材料在磨削过程中的去除机理由脆性崩裂变为塑性流动。随着纳米粉体技术的发展， 纳米级磨料在超光滑表面抛光中得到了越来越广泛的应用，这使塑性磨削成为可能。 在超光滑表面抛光中磨料的去除单位已在纳米，甚至已是亚纳米级， 在这种加工尺度内， 加工氛围中的化学作用显得尤为重要。在超光滑表面抛光中抛光液的化学作用表现在： 先在被加工表面形成一层易于磨削的软质层， 再利用抛光料或抛光盘

7、的机械磨削的作用加以去除。 这样就可以实现用软质抛光料加工硬质材料， 而且对材料的去除及减少加工变质层是有利的。目前普遍认为超光滑表面抛光是磨料或抛光盘的机械作用和抛光浆料的化学作用的结果， 以物理、化学的方式去除材料。 不同的抛光方法就在于机械作用和化学作用的组合上有所不同。 目前关于超光滑表面加工机理的研究尚不完善， 有待于通过纳米摩擦学的微切削理论做出进一步的解释。在实际生产应用中， 随着科学技术的迅速发展， 对材料表面质量的要求越来越高。对于一些超硬材料和脆性材料以及复合材料， 传统的加工方法无法满足加工的技术要求。 激光抛光是一种新型材料表面处理技术， 作为激光加工技术的重要应用之一

8、，也随着激光技术的发展而出现并快速发展。 由于激光抛光具有其他加工方法无可比拟的优势， 自20世纪 90年代以来，许多西方国家的学者都开始对激光抛光进行研究， 近年来，中国一些学者和科研机构也开始投入了对激光抛光技术的探索和研究工作 1,2 。1. 激光抛光技术的发展自1964年1965年相继发明了 CO2激光器、 YAG 激光器后，激光器在工业上的应用变成了可能。随着激光这种新能源的获得，材料加工的领域被大大拓宽，其中材料表面的激光处理就是激光应用的重要方面之一。材料表面的激光处理主要集中在：材料表面激光相变硬化、 激光合金化与涂覆、 激光表面非晶化和微晶化、冲击硬化及激光对材料的表面改性等

9、。近年来，随着材料科学，特别是材料表面科学的发展， 激光器在材料科学中的应用得到进一部的拓宽；更由于工业应用中对材料表面的光洁度的要求越来越高，人们不断探索新的抛光技术， 由于激光独特的性质，激光抛光技术出现了。刚开始，人们利用CO2激光器、 YAG 激光器等连续激光器， 对一些材料进行了表面抛光的研究，得到了比较好的符合要求的光滑面，但容易在表面产生少量的裂纹。现在研究人员把重点放在短波长准分子激光器和短脉冲的飞秒脉冲激光器上，利用它们抛光不易产生裂纹， 抛光的效果更好。从 90年代中期以来，在美国、俄罗斯、德国和日本等国家，广泛开展了金刚石薄膜的激光抛光研究，已经得到了纳米级的表面粗糙度；

10、近年来，日本大阪大学激光研究院的研究人员选用193nm烧蚀波长和 PMMA( 光学材料 )组配获得高的表面光滑度，使其表面误差下降到只有0.17 。现在激光抛光已经在金刚石薄膜、高分子聚合物、陶瓷、半导体、光学元件、金属、绝缘体等得到广泛的研究。2. 飞秒激光的产生根据激光器工作方式的不同， 激光通常可分为连续激光和脉冲激光。 脉冲激光是指以脉冲工作方式的激光器发出的光脉冲， 简单地说，好比手电筒一样， 合上开关立刻又关掉就是发出了一个“光脉冲”。用脉冲方式工作有它的必要性，比如发送信号减少热量的产生等等。近年来，超短光脉冲的产生、 控制及应用获得了飞速地发展。人们通常将皮秒(ps，1012s

11、)、飞秒 (fs，1015s)光脉冲称之为超短光脉冲。从20世纪 60年代激光的诞生到 20世纪 80年代，激光脉冲均处于皮秒量级。1981年，弗克等人利用碰撞锁模技术从染料激光器中首次获得了飞秒激光脉冲，所谓锁模技术是指将激光器中同时存在的不同模式的激光脉冲实现相位锁定。通常飞秒激光系统由四部分组成： 振荡器、展宽器、放大器和压缩器。 在振荡器内，可利用锁模技术获得飞秒激光脉冲； 展宽器将这个飞秒种子脉冲按不同波长在时间上拉开；放大器使这一展宽的脉冲获得充分能量； 压缩器把放大后的不同成分的光谱再会聚到一起， 恢复到飞秒宽度， 从而形成具有极高瞬时功率的飞秒激光脉冲。20世纪 90年代以后，

12、 随着飞秒钛宝石激光器的研制成功， 获得了高功率峰值、脉冲极短的飞秒激光，但其昂贵的成本，庞大的结构，复杂的操作严重阻碍了飞秒激光的应用。 为了突破现有飞秒激光局限， 随着光子晶体光纤的问世， 新一代飞秒激光研究于 2000年后蓬勃发展起来。 在国际上，我国科学工作者首次实现了飞秒激光在 400700nm宽带连续可调谐， 并研制成功国际上首台全光子晶体光纤飞秒激光放大系统，创造了39fs该技术当前最短脉宽纪录。近年来，科学工作者又将超短光脉冲推进到了阿秒(1018 量级 3 。s)3. 飞秒激光的特点 3第一，脉冲宽度极短。 飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间非常短，只有几个飞秒，飞

13、秒的单位是fs(femto-second)，1fs10-15s，光在真空中1s内传播的距离是 3.0 ×108m，而光在 1fs内传播的距离仅为 0.3 m，比大多数细胞的直径还要短，相当于光的波长的距离，病毒的体长，CD片的槽宽量级。第二，经放大后峰值功率极高，可达太瓦(1012W )以上，经聚焦，峰值功率密度可达 10181020W/cm2，其强度超过了原子内部的库仑场，比目前全世界发电总功率还要多出百倍。第三，它能聚焦到比头发的直径还要小的空间区域，使电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍。例如：将 1mJ的能量集中在几个飞秒时间内并汇聚成直径为 10m的光斑，其光

14、功率密度可达到 1018W/cm2，将其换算成电场强度则为 2×1012V/m ，为氢原子中库仑场强 (5 ×1011V/m) 的4倍，这就有可能将电子从原子中直接剥离出来。这些独有的特点使飞秒激光具有广泛而特殊的用途，它将对社会经济的发展起到巨大的带动作用。传统的机械抛光加工过程是抛光 拆卸 清洗 面形测量 装夹 再抛光 循环往复， 直至光洁度达到要求为止， 这一过程非常耗时， 如一块白宝石窗口所需加工时间就长达数月， 探索新的抛光技术非常必要 。与其他加工方法现比，飞秒激光抛光具有独特的优势。激光有 4大特性：单色性、相干性、方向性和高能量密度。这些性质使激光在加工方面

15、具有独特的优势， 激光可经聚焦产生巨大的功率密度 (或能量密度 )这使激光抛光成为了可能。 激光抛光有以下特点： (1) 它是非接触式抛光。接触式抛光在样品上施加了外力，样品在外力下容易破裂；而非接触式激光抛光则不会对样品施加任何压力； (2)激光抛光有很高的灵活性。它不仅能对平面进行抛光， 还由于激光抛光是非接触式加工， 故运用计算机三维控制能够对各种曲面进行抛光， 如是对称曲面效果则更好， 激光能够抛光的面形有：平面、球面、椭球面、抛物面等； (3)抛光样品时，不需要其它的辅助药剂，故对环境的污染很小； (4)可以实现精密的抛光，材料表面经激光抛光后可以达到纳米级，甚至亚纳米级； (5)特

16、别适合超硬材料和脆性材料粗抛光后的精抛光；(6)可实现微细抛光，对选定的微小区域进行局部抛光； (7)抛光需要的工作环境比较简单，一般在室温下进行，不需要特殊的工作环境 3 。激光抛光与其它主要抛光技术的对比情况激光抛光的机理分析激光抛光本质上就是激光与材料表面相互作用， 它遵从激光与材料作用的普遍规律。激光与材料的相互作用主要有两种效果： 热作用和光化学作用。 根据激光与材料的作用机理， 可把激光抛光简单分为两类： 一类为热抛光， 另一类为冷抛光 4 。热抛光一般用连续长波长激光， 抛光时主要用波长为 1.06 m的YAG 激光器和波长 10.6 m的CO2激光器，作用的机理是激光与材料相互

17、作用的热效应，通过熔化、蒸发等过程来去除材料表面的成分，因此，只要材料的热物理性质好，都可用它来进行抛光。 Udrea等人利用一台 10W、功率密度为 140W/cm2的单模纵2流连续 CO 激光器，对光纤的端表面进行了抛光，使表面粗糙度从3m减少到100nm。但是这些红外波段的激光在材料表面抛光过程中，由于热效应，温度梯度大产生的热应力大， 容易产生裂纹， 效果不是很好， 抛光达到的级别不是很高。冷抛光一般用短脉冲短波长激光，抛光时主要用紫外准分子激光器或飞秒脉冲激光器。飞秒激光器有很窄的脉冲宽度，它和材料作用时几乎不产生热效应。准分子激光波长短属于紫外和深紫外光谱段，有强的脉冲能量和光子能

18、量、高的重复频率、窄的脉冲宽度。 大多数的金属和非金属材料对紫外光有强烈的吸收系数。冷抛光主要是通过“消融”作用，即光化学分解作用。 作用的机理是“单光子吸收”或“多光子吸收”，材料吸收光子后， 材料中的化学键被打断或者晶格结构被破坏，材料中成分被剥离。在抛光过程中，热效应可以忽略，热应力很小，不产生裂纹，不影响周围材料，材料去除量易控制，所以，特别适合精密抛在微细抛光、硬脆性材料和高分子材料抛光等方面具有无法比拟的优越性8 。Folwaczny等人利 308nm的XeCl 准分子激光对瓷器表面进行了抛光的研究，使表面粗糙度从 4.14Pm减少到了 1.13 m。loor 等人利用 193nm

19、的 rF准分子激光对金刚石薄膜进行了抛光，使表面粗糙度从 3.6 m减少到 1m左右。当激光束聚焦于材料表面时，会在很短的时间内在近表面区域积累大量的热，使材料表面温度迅速升高 , 当温度达到材料的熔点时，近表面层物质开始熔化，当温度进而达到材料的沸点时，近表面层物质开始蒸发 , 而基体的温度基本保持在室温。当上述物理变化过程主要为熔化时， 材料表面熔化部分各处曲率半径的不同使熔融的材料向曲率低 (即曲率半径大 )的地方流动，各处的曲率趋于一致。 同时，固液界面处以每秒数米的速度凝固，最终获得光滑平整的表面。在这个过程中，如果材料处于熔融状态的时间过长， 熔化层就会向深处扩展， 材料的整体外观

20、和机械性能也会随之降低。 因此，激光束和特定材料的相互作用必须产生一个高的温度梯度，促进材料快速加热和冷却，熔化极限 (melting threshold)，熔深和材料处于熔化状态的时间 (melting duration)取决于入射光束和材料相互作用过程中不同的参数。当上述物理变化过程主要为蒸发时， 激光抛光的实质就是去除材料表面一薄层物质。 激光产生的能量足以击穿 Cu,W, Al 或其他任何材料的禁带， 从而使它们蒸发。去除材料的速度取决于材料的性质， 材料的数量以及所用激光的功7 。5,6率。它们之间的关系可以用下面的等式来表示： V=I(1-R)/(C P T+Lf +L v) 。其

21、中 I为激光束的强度， R为材料的反射率， Cp为材料的比热， T为材料的沸点与初始温度之差， L f为材料的熔化热， Lv为材料的蒸发热， 为材料的密度。去除一定量材料所需要的时间等于要去除的材料厚度与材料蒸发速度的熵。 从给定的硅晶片表面清除一层厚度为 1.0 m的材料所需要的时间如下表所示。从给定的硅晶片表面清除一层厚度为1.0 m的材料所需要的时间* 假定初始温度为 25，所用激光器的功率为 300W，频率为 300Hz，能量为1000mJ，可以发射波长为 308nm，横截面为矩形 (38mm×13mm)的激光束。激光抛光系统的主要构成激光在对不同的材料进行抛光时，系统是有些

22、差别的， 但是系统的主要构成有：激光器、光束均匀器、面形检测反馈系统、三维工作台、计算机控制系统。激光抛光通常采用两种方法：一种是激光光束固定不动，工作台带动工件运动；另一种是工作台和工件不动，光束根据要求运动。 用连续激光抛光时， 激光作用在材料表面检测设备跟踪检测，实时反馈控制决定每个微小部分作用时间 (或扫描速度 )或控制变焦聚焦系统来改变激光功率密度。用脉冲激光抛光时，激光作用在材料表面检测设备跟踪检测， 实时反馈控制决定每个微小部分作用的脉冲个数或者控制变焦聚焦系统来改变激光的能量密度。 在激光抛光过程中， 检测技术和实时反馈控制技术是关键，在很大程度上决定了抛光的等级激光抛光的主要

23、工艺参数主要有激光功率密度 (或者能量密度 )阈值、光束质量、波长、脉冲宽度、初始条件、光束的入射方向等。 抛光时，激光功率密度阈值与激光和材料的性质有关，对于激光“热抛光”，材料的热吸收系数严重影响抛光的功率密度阈值和抛光效率；对于激光“冷抛光”，材料的能级结构与激光光子能量大小严重影响抛光的功率密度阈值和抛光效率。 激光光束质量对抛光的质量影响很大， 在抛光时，一般采用基模激光抛光， 很少用高阶模。 即使是基模光束还要进行整形， 使作用在材料表面的激光能量分布为均匀分布， 抛光的效果就更好。 对于基模高斯光束8,9 。或者矩形分布光束的整形， 用一种特制的玻导管可以得到比较好的均匀分布的光束。理论上各种波长激光都能够用于抛光， 但是在实际