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超短脈沖激光微納加工技術介紹

發布時間：2020-04-27 來源：元祿光電

隨著激光技術的發展，季期間想著超短脈沖、超強高度、超短波長的方向邁進，這給激光材料加工帶來了革命性的進步。近年來超短脈沖精密加工越來越得到人們的關注。這主要體現在超短脈沖激光加工可以得到高于長脈沖激光加工的精度，最高可以達到亞微米甚至納米級別。另外超短脈沖激光除了可以進行材料表面的加工，還能夠實現對透明材料內部的加工與改性。適用于其他加工方法無法實現的高精度、復雜形狀元器件的加工，實現真三維、可設計、可集成。超短脈沖激光的瞬間功率極大，可以喝幾乎任何材料相互作用，因而可用于激光加工的材料幾乎不受限制。對于超硬、易碎、高熔點、易爆炸等材料的加工，更具有其他方法無法匹配的優勢。

這里的超短脈沖激光微細加工技術指的是利用超短脈沖激光（脈沖寬度在皮秒至飛秒量級，10^-12~10^-15s）對材料的顯微加工、精密裁切以及微觀改性。這里的3個屬于定義如下：顯微加工指的是對樣品材料的精密去除；精密裁切值得是利用激光將樣品材料裁切成微納尺度的特征形狀；微觀改性指的是利用激光改變樣品材料特定微觀區域的物理化學性能。這3個屬于既相互獨立又緊密相連，有時在微觀改性的同時也伴隨著樣品材料的精密去除，而顯微加工是精密裁切的基礎。我們把上述術語統稱為超短脈沖激光微納加工。

超短脈沖激光微納加工分類

從材料的性能變化來說，超短脈沖激光微納加工可以分為表面形貌、折射率、離子價態、相態、缺陷態、晶態、化學鍵以及能帶結構等的修飾與調控。在超短脈沖激光加工過程中，有時是單一的性能銹蝕，有時是多項性能的修飾同時發生。舉例說明。

圖1為超短脈沖激光誘導的6中材料性能轉變。（a）為在金屬表面形成的亞波長周期結構。其周期從入射激光波長尺度到入射波長的1/10，為制備納米尺度周期結構提供了一種全新的途徑。（b）為波導結構。超短脈沖激光可以在透明材料內部誘導折射率改變，寫入二維、三維的波導結構及器件，如分束器、衍射光柵、整列波導光柵、波導激光器等。（c）為在晶體內部的誘導的缺陷結構，即色心。在諸如半導體、發光信息存儲、色心激光等技術領域有著廣發的應用。（d）為離子價態變化。在金屬離子或稀土離子摻雜的玻璃內部，是的摻雜離子的價態發生改變，誘導出具有特殊功能的符合材料，實現特定的線性、非線性光學性能。（e）為靜態變化。超短脈沖激光的輻照非晶態的玻璃材料可以在輻照區域析出晶體相，或者超短脈沖激光輻照晶體材料，在激光輻照區域可以從一種晶態向另一種晶態轉化，為制備不同晶態的集成器件提供新途徑。（f）為半導體帶隙變化。通過超短脈沖激光半導體硅，改變其能帶結構。經處理的硅具有吸收光譜寬以及光譜響應速度快的特點，在太陽能電池以及光電探測器方面具有極大的應用前景。

圖1超短脈沖激光微納加工距離

超短脈沖激光微納加工應用領域

中央“十二五”規劃提出了加快培育和發展戰略性新興產業的建議，大力發展節能環保、新興新興產業、生物產業、新能源、新能源汽車、高端裝備制造業和七大戰略性新興產業。這為激光現金制造技術提供了前所未有的發展機遇。在這七大斬六新興產業中，超短脈沖激光微納加工都能發揮用武之地而且是某些環節的必須技術。

圖2超短脈沖激光微納加工應用領域

目前，超短脈沖激光微納加工主要應用在如圖2所示的領域。這里舉例幾個應用實例：（1）太陽能電池（包括晶硅以及薄膜電池）的鉆孔、刻線、劃槽以及表面紋理化，通過超短脈沖激光埋柵刻槽及摻雜處理后，電池的光電轉換效率有望得到2%左右的提升；（2）計算機、手機、電視等CSTN、TP、LCD液晶顯示模塊中的超薄玻璃基板的劃線分割。傳統方法采用金剛石切割，成品率低，刀具壽命短。超短脈沖激光的非接觸肺熱加工模式則可以克服上述缺點，是取代傳統金剛石切割，進行產業更新換代的理想技術；（3）醫療行業。目前常用于制作血管支架的材料有金屬鉭、醫用不銹鋼及鎳鈦合金等。金屬支架在進入臨床治療后取得了令人矚目的療效，但近年也逐漸暴露出一些不足和弊病，如易至血栓形成，再狹窄率高，造成血管壁損傷以及永久保留體內等。針對以上不足，可降解生物材料的血管支架成為研究的熱點，對可降解材料的加工是決定該類支架材料應用的關鍵問題。為了保證加工后的材料性能不便，對加工技術提出了更高的要求。超短脈沖激光微納加工可降解生物材料具有獨到的優勢；（4）精密機械、醫療、光學元器件加工。適用于一些機械加工方法無法實現的高精度、復雜形狀元器件的加工，如發動機噴嘴、打拿極、太赫茲光源偏正片等；（5）透明材料內部的維納改性。對玻璃、晶體、高分子材料內部實現微納改性，賦予改性區域新的功能。適用于制備波導類光子學微器件、三維立體顯示、三維工藝品等；（6）微電子學。薄膜的局部沉積及去除，即激光修整、激光光刻、激光微機械加工，以及局部摻雜等。圖3進一步闡述了圖2中超短脈沖激光的應用領域。

（a）為晶硅太陽能電池的埋柵刻槽與激光摻雜；（b）為激光刻劃有機薄膜太陽能電池；（c）為超短脈沖激光對聚合物材料進行雙光子聚合制備微光機電器件；（d）為飛秒激光輔助眼科手術；（e）為皮秒激光刻蝕柔性印刷電路板的聚合物導電層；（f）為皮秒激光隱性切割LED襯底材料。

圖3 超短脈沖激光微細加工應用領域舉例

超短脈沖激光微納加工市場展望

相對于傳統的激光打標、激光焊接、激光切割等，超短賣場激光精密微細加工還屬于新興的試產，美國Raydiance公司預測在10年內，超短脈沖激光技術將擁有超過1000億美元的市場，其中醫學和聲明科學占50%、材料開發和制造行業占25%。也就是說在材料加工、制造行業，未來10年內超短短脈沖激光技術在全球將會有超過250億美元的市場。

隨著超短脈沖激光器件趨向更為成熟的工業應用，超短脈沖激光微納加工技術將開拓更為廣闊的應用領域，成為諸多行業不可或缺的利器，為科技造福、為社會創造更美好的明天。

推薦設備：飛秒激光切割機