飞秒激光的超精细冷加工特点

超精细冷加工

飞秒激光的加工机理与普通的长脉冲激光(CO2激光、Nd:YAG激光)加工不同,它能以极快的速度将其全部能量(最大峰值功率可达1012W甚至1015W量级)注入到很小的作用区域,瞬间内产生的高能量密度(其峰值功率密度达到1022W/cm2以上)的沉积将使电子的吸收和运动方式发生变化,可以避免线性吸收、能量转移及扩散过程等的影响,从根本上改变了激光与物质相互作用的机制,使其在处于当今技术前沿的超快激光精细冷加工方面拥有独特的优势及广泛的应用前景。这种具有高精度、超高空间分辨率及超高广泛性的冷加工过程,使飞秒激光在微电子、光子学和MOEMS(激光机电系统)等高新技术领域中应用前景巨大。

准分子激光虽然与飞秒激光一样均可以进行表面微加工,但准分子激光加工有其固有的缺陷,对加工对象依据波长对材料有选择性,加工处理的材料与范围受限制(这是由于其加工过程基于材料对光子的共振吸收造成的)。另外,准分子激光由于激光辐射可被透明材料表面吸收,故只能进行表面微细加工。而飞秒激光不仅能进行表面微细加工,而且可在透明材料内部进行加工。且飞秒激光加工尺寸更小,加工精度更高。

与常规激光相比飞秒激光的超精细冷加工具有以下几个特点:

(1)加工尺寸小,可实现超微细(亚微米至纳米量级)加工。

一般激光加工区域的横向尺寸要大于激光波长尺寸,这是由于受到衍射极限的限制造成的。尽管飞秒激光的聚焦光斑尺寸也不可能小于半个波长,但飞秒激光由于峰值功率极高,与物质相互作用不是单光子过程,而主要是多光子过程。如果通过调节激光入射能量,则能使加工过程的能量吸收及作用范围被局限于焦点中心位置的很小一部分体积内,而不是整个聚焦光斑辐照的区域,这时加工尺寸可远远小于聚焦光斑尺寸,突破了光束衍射极限,达到亚微米甚至纳米级。

(2)加工热影响区小,可实现高精度的非热熔性加工。

由于飞秒激光可以在极短的时间和极小空间范围内以极高的激光功率密度作用于材料,在没有热扩散的极短时间内使电子温度达到极高,使物质从固态瞬间变为高温、高压的等离子体态,迅速的喷射形式脱离加工基体,其周围物质仍处于“冷状态”,因此与长脉冲激光加工相比,飞秒激光没有热扩散,加工边缘整齐及加工精度高,实现了所谓的“非热熔性”加工。

(3)能克服等离子体屏蔽,具有稳定的加工阈值,加工效率高。

在长脉冲激光加工中,由于入射激光会被等离子体吸收与散射,造成激光与材料耦合效率的减弱,等离子体屏蔽是一个重要问题。而当采用100fs超短脉冲激光加工时,在等离子体临界密度达到之前,脉冲能量已经结束沉积,即在等离子体向外膨胀之前,飞秒激光的辐射已经结束,这样就避免了等离子体屏蔽的出现,有利于提高飞秒激光的能量耦合效率,从而也提高了飞秒激光的加工效率。此外,在长脉冲激光加工中,激光加工的稳定性常常受到材料掺杂及缺陷的影响。而飞秒激光加工材料时,由于多光子电离作用,材料的掺杂和缺陷对激光烧熔阈值影响很小,所以能使加工阈值更趋稳定。

(4)可实现精密的三维加工。

聚焦强度位于烧熔值附近的飞秒激光束可以毫无衰减地到达透明材料内的聚焦点,并在聚焦点可以获得极高的激光功率密度,产生多光子吸收及电离,使飞秒激光加工过程具有严格的空间定位能力,实现透明材料内部任意位置的三维超精细加工。

(5)加工材料范围广。

由于多光子吸收(非共振吸收)及电离阈值仅与材料中的原子特征有关,而与其中的自由电子浓度无关,因此飞秒激光可对任何材料实现精细加工,而与材料的种类及特性无关。飞秒激光可以精细加工光学玻璃、陶瓷、各类电介质材料、各种半导体、聚合物以及各种生物材料乃至生物组织,特别是对熔点相对较低,且易产生热扩散的金属材料进行精细加工,飞秒激光以其“非热熔性”的“冷”加工,展示出它的极大优势和广阔的应用前景。