纳秒和飞秒之间,皮秒激光微纳加工应用独具优势

激光技术 | 2018-11-29 11:46

与传统的微纳加工技术相比,激光微纳加工具有如下独特的优点:非接触加工不损坏工具、能量可调、加工方式灵活、可实现柔性加工等。其中全固态皮秒激光具有极窄的脉冲宽度(皮秒)、极高的峰值功率(兆瓦)以及优异的光束质量,被广泛应用于各种金属、非金属材料的精密加工。

研究表明,脉冲宽度高于10 ps的皮秒激光加工过程中有明显的热效应存在,而且随着激光与材料作用时间的增加,工件表面会产生微裂纹以及再铸层;脉冲宽度低于5 ps的皮秒激光与材料作用时会产生非线性效应,这对金属材料的加工非常不利。因此,适合微纳精密加工用的皮秒激光的脉冲宽度在5~10 ps之间。为了提高加工效率,重复频率一般设定在十万赫兹量级,而平均功率则根据所加工材料的烧蚀阈值而定。

作为一种激光精密加工技术,皮秒激光在对高硬度金属微孔加工方面的应用早在20世纪90年代初就有报道。1996年德国学者Chichkov等研究了纳秒、皮秒以及飞秒激光与材料的作用机理,并在真空靶室中对厚度100 μm的不锈钢进行了打孔实验,首次建立了激光微纳加工的理论模型,为后续的激光微纳加工实验研究奠定了坚实的理论基础。

1998年Jandeleit等对厚度为250 nm的铜膜进行了精密制孔实验,实验指出使用同一脉宽的皮秒激光器对厚度较薄的金属材料制孔时,采用高峰值功率更有可能获得优秀的制孔效果。

然而,优异的加工效果不仅仅取决于脉冲宽度以及峰值功率,制孔方式也是一个至关重要的因素,针对这一问题,Fohl等采用纳秒激光与飞秒激光对制孔方式进行了深入研究,实验结果显示纳秒激光采用螺旋制孔方式所加工的微孔整洁干净,而飞秒激光采用一般的冲击制孔方式所加工的微孔边缘有明显的再铸层。

2012年北京工业大学Duan等使用课题组自行研制的皮秒激光器对金属钼、钛和不锈钢进行了精密制孔研究,并利用旋切制孔方式对厚度为0.3 mm的金属钼实现了孔径ϕ小于200 μm的微孔加工,利用螺旋制孔方式在厚度为1 mm不锈钢上实现了孔径为200 μm的制孔效果。实验指出大口径微孔加工应采用旋切制孔方式,而加工较小口径时则更宜选用螺旋制孔方式。

皮秒激光精密微孔加工过程中,对于厚度较小的材料(d<1 μm),由于激光与材料作用的时间较短,以采用高峰值功率、窄脉宽的激光为宜,而对于厚度在百微米甚至超过1 mm的金属材料的微孔加工,除了要考虑激光峰值功率以及脉冲宽度外,选择合适的制孔方式是必要的。此外,根据材料结构的不同还应该选择是否采用偏振输出等因素。

随着我国航天技术的不断进步,对核心器件的加工越来越趋于自主化。其中利用皮秒激光对航空发动机核心部件(涡轮叶片、导向叶片、燃烧室)的气膜孔进行加工是近几年的一种新兴技术,而这些核心部件的材料一般是高温镍基合金或者是高温钛合金等硬度较大的金属,其硬度已经远远超过了加工刀具的硬度。而以电火花、电液束以及纳秒激光等为主的传统加工方式受限于加工精度、表面微裂纹、再铸层以及孔的圆度、倾角等诸多因素而不能满足要求。Knappe等利用皮秒激光对1 mm厚的镍基材料进行了直径为400 μm、倾角为60°的冷却孔加工实验,实验结果如下图所示。实验表明皮秒激光在航空发动机气膜孔加工方面确有其独到之处,特别是在异型及深微孔加工方面更有其明显优势。因此,皮秒激光技术发展起来后在这一领域得到了广泛应用。

图 皮秒激光对1 mm厚镍基合金的冷却孔加工

随着2004年德国著名的Lumera激光公司首次通过实验对比了纳秒激光、皮秒激光以及飞秒激光对50 μm厚硅片的切割效果,结果如下图所示。对比实验表明,在对硅片进行精密切割时皮秒激光的切割效果远远优于纳秒激光,可与飞秒激光相比拟,但是切割效率远高于飞秒激光。

图 50 μm厚硅片激光切割效果对比。(a)飞秒;(b)皮秒;(c)纳秒

图 蓝宝石切割效果。(a)使用355 nm纳秒激光;(b)使用1064 nm皮秒激光

硅是半导体行业的重要基石,石英材料是良好的光学元器件材料,而蓝宝石在显示行业具有举足轻重的地位。皮秒激光对硅晶圆、石英以及蓝宝石基片等硬脆性材料的良好切割效果必将引起科研人员的广泛研究,从而带动这个产业不断发展。随着集成电路、电子消费品市场以及显示行业的快速发展,以硅晶圆、石英、钢化玻璃以及蓝宝石为代表的材料逐渐被广泛应用,而这些材料会越来越薄,合成材料的硬度将越来越大,这就更加体现出皮秒激光精细加工的重要性,同时也对皮秒激光提出了更为严峻的考验。

此外,对金属以及柔性材料而言,皮秒激光也能实现很好的切割效果。利用自行研制的皮秒激光器(1064 nm,10 ps,25 W@100 kHz),作者所在课题组已经成功实现了铝箔、紫铜等多种金属的精密加工。下图为铝箔热管的切口效果,可以看到加工后切口边缘整齐,光滑无挂渣。皮秒激光切割效果比传统的机械切割效果好这一事实也已在实际使用中得到了验证。出于保密的需求,其他金属的切割效果图不在此一一列举。

图 皮秒激光铝箔切割效果

皮秒激光凭借其独特的“冷烧蚀”效应,也被应用于激光选择性去除,最具代表性的是柔性基底薄膜太阳能电池电极加工。薄膜太阳能电池属于叠层器件,其结构如下图(a)所示。相对于传统电子器件,叠层器件具有功耗低、体积小、易集成、携带方便等突出优点,被广泛用于电子行业及显示行业。

图 (a)薄膜太阳能电池叠层结构;(b)皮秒激光加工工序图

然而,其电极的制备工艺较为复杂,若使用传统的纳秒激光制备,其加工过程中存在两方面的不足:

  • 熔融物和挂渣不易去除;

  • 在对上层材料的去除过程中对下层材料有热损伤。这两点都是由于纳秒激光不具备“冷烧蚀”的特性所造成的,而利用皮秒激光则能完成全部的加工工序,具体的加工工序如上图(b)所示。

德国慕尼黑的Heise等于2012年报道了使用HighGQ公司生产的皮秒激光器对300 mm×300 mm大面积的太阳能薄膜电池依次进行P1,P2,P3三道工序的加工。在P1工序中,受扫描头速度的限制,去除速率只能达到15 m/s。在P2工序中,采用过高频率多脉冲的方式保证ZnO和Mo层具有良好的导电接触。在P3工序中,透明层通过间接诱导烧蚀可以实现15 m/s的去除速度。最终制得的电池效率达到14.7%,将皮秒激光对三道工序的加工效果与纳秒激光加工效果进行比较,结果如下图所示。

图 P1,P2,P3工序的加工效果。(a)皮秒激光;(b)纳秒激光

薄膜太阳能电池是我国光伏行业极具竞争力的新型产业,属于国家支持的先进高新技术企业,皮秒激光对其良好的选择性去除作用可以确保薄膜电池器件具有高效、高功能性,同时还有助于实现大面积薄膜器件的微加工,从而极大程度地推动了我国光伏行业不断发展。

尽管皮秒激光所能加工的材料范围很广而且精度很高,但是在实际的应用中还存在以下几个方面的问题:

  • 理论上,激光与材料作用的机理尚不清楚,而激光与材料的作用机理对激光参数的选择以及实现优质的加工效果起决定性的作用;

  • 激光器功率不高。受限于激光器本身的输出功率,只能对厚度较小的材料实现精密加工;

  • 与之配套的加工设施还不完善。国内还没有企业能实现对一些精密设施的批量生产,如钻孔(旋切)光学模组,多光束并行加工模组以及加工过程中所需要的动态聚焦监控等。

整套皮秒激光微纳加工系统是光、机、电、气高度配合的自动化装置,从传输光路设计到软件控制以及最后的硬件设备的相互协调是一项巨大的工程。

根据目前皮秒激光微纳加工的研究现状和发展趋势,皮秒激光微纳加工的发展方向有以下几个方面:

  • 深入研究皮秒激光与材料的作用机理,完善皮秒激光微纳加工的理论,为实验做好前期准备;

  • 研发高功率、高重复频率的皮秒激光器,拓宽加工材料厚度的同时提高加工效率。目前,国内商用的十万赫兹皮秒激光器功率最高为50 W,国外功率虽超百瓦,但是使用成本及其昂贵,而且还存在禁运问题。因此,研发具有自主知识产权的百瓦级高重复频率皮秒激光器就显得尤为重要。

  • 研发多功能皮秒激光微纳加工自动化设备,完全解放双手,与国际接轨。国外在这一方面起步早而且投入比重也很大,很多著名的公司(Coherent、IPG、Ekspla、TRUMPF等)能够批量生产整套的自动化设备,其技术先进,设备性能稳定,但售价高昂,这也是促使国内各大激光技术公司致力于研发皮秒激光器的主要原因。

国内仅德龙激光、华工激光等为数不多的几个公司能够研发整机自动化设备,已经实现了对蓝宝石、K9玻璃以及不锈钢、陶瓷等材料的批量加工。

介于纳秒与飞秒之间的皮秒激光以其独特的“冷烧蚀”效应在工业上被广泛的应用,随着皮秒激光各参数(功率、重复频率、单脉冲能量及光束质量)性能的不断提升,可使用皮秒激光进行微纳加工的材料种类会越来越多,加工精度会越来越高。尽管皮秒激光与材料作用的机理以及与之配套的加工设施还不完善,但其独特的去除机制,几乎无热作用的加工效果,稳定的输出控制,以及低廉的使用成本,必将在精密仪器、集成电路、生物工程、激光3D领域等新型领域获得用武之地。

此外,飞秒激光作为工业微纳加工的另一把利器也在不断进步,但是飞秒激光存在系统复杂、成本昂贵、稳定性不高等问题,并且仅国外少数几家公司能够提供整机产品。而国内关于飞秒激光的输出与控制还处于实验研究阶段,目前还没有能力生产适合微纳加工用的飞秒激光器,因此利用飞秒激光实现精密微纳加工还有很大的研究空间。

作者:杨冬冬,蔡京辉 中国科学院理化技术研究所空间功热转换技术重点实验

文献:

杨冬冬,蔡京辉 皮秒激光微纳加工研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2017, 54(1): 10004

封面图来源:

中科红塔是一家专注于激光产业投资的基金管理公司,实际控制人为中国烟草总公司,2017年与中科院上光所和南京市经开区共同发起设立激光基金,主要面向激光产业进行创业孵化与战略投资。