激光微加工

人們很早就嘗試利用激光進行微加工。但是由于激光的長脈沖寬度和低激光強度造成材料熔化并持續蒸發，雖然激光束可以被聚焦成很小的光斑，但是對材料的熱沖擊依然很大，限制了加工的精度。唯有減少熱影響才能提高加工質量。當激光以皮秒量級的脈沖時間作用到材料上時，加工效果會發生顯著變化。隨著脈沖能量急劇上升，高功率密度足以剝離外層電子。由于激光與材料相互作用的時間很短，離子在將能量傳遞到周圍材料之前就已經從材料表面被燒蝕掉了，不會給周圍的材料帶來熱影響，因此也被稱為“冷加工”。憑借冷加工帶來的優勢，短與超短脈沖激光器進入到工業生產應用當中。

圖1 超短脈沖冷加工在火柴頭上進行燒蝕工藝

超快有多快？

短脈沖激光器產生的脈沖寬度定義在皮秒和飛秒量級。1 皮秒等于 10-12 秒，1 飛秒等于 10-15 秒。也許比較抽象，但是我們可以轉化成距離的形式來比較。舉個例子，光的速度是 3x10-8 米每秒，光從地球到月球所需要的時間大約是 1.3 秒， 而1皮秒的時間里光運動的距離是 0.3 毫米！

超快可以做什么？

短脈沖激光技術的迅速發展使得其在工業范圍的應用非常廣泛，幾乎每天都會發現新的應用。目前短脈沖主要集中在下面幾個應用領域。

圖2 激光細微加工的分類

1鉆孔

電路板設計中人們開始用陶瓷基底代替常規的塑料基底以實現更好的導熱效果。為了連接電子元件，一般需要在板上鉆高達數十萬個直徑 40100 μm 的小孔。因此保證基底的穩定性不會受到鉆孔過程時熱輸入的影響就變得十分重要，皮秒激光正是這個應用的理想工具。皮秒激光能以沖擊鉆探的方式完成孔的加工，并保證孔的均勻性。除了電路板，皮秒激光還可以對塑料薄膜、半導體、金屬膜和藍寶石等材料進行高質量鉆孔。

2劃線，切割

通過掃描的方式疊加激光脈沖可以形成線。通常要通過大量的掃描可以深入到陶瓷內部，直到線的深度達到材料厚度的 1/6。然后沿著這些刻線從陶瓷基底上分離單個模塊。這種分離方法叫做劃線。另一種分離方法是使用超短脈沖激光燒蝕切割，也稱為消融切割。激光對材料進行燒蝕，去除材料直到它被切透。這個技術的好處是加工的孔的形狀和尺寸具有較大的靈活性。所有的工藝步驟可以通過一臺皮秒激光器完成。

圖3 透明材料上零切縫切割

3線燒蝕（去除鍍層）

另外一種經常被視作微加工的應用是在不損害或輕微損害基底材料的情況下精確去除涂層。燒蝕既可以是幾微米寬的線，也可以是幾平方厘米的大面積去除。由于涂層的厚度通常遠小于燒蝕的寬度，以至于熱量不能在側面傳導。因此可以使用納秒級脈沖寬度的激光。高平均功率激光、方形或矩形傳導光纖、平頂光強分布，這幾項技術的結合使得激光面燒蝕得以在工業領域得到應用。例如：使用通快公司的 TruMicro 7060 激光器去除薄膜太陽電池玻璃上的涂層。同樣的激光器也可以應用在汽車工業中對抗腐蝕涂層進行去除，為后續焊接做準備。

圖4 去除抗腐蝕涂層

4表面結構化

結構化可以改變材料表面的物理特性。根據荷花效應，疏水性表面結構讓水從表面流掉。用超短脈沖激光器在表面創造亞微米結構可以實現這個特性，并可以通過改變激光參數對所要創造的結構進行精確控制。相反的效果，例如親水性表面，同樣可以實現，而且微加工還可以創造更大尺寸的結構。這些工藝可以用于發動機中的油箱來制造一些降低磨損的微結構，或者在金屬表面結構化實現與塑料的焊接。

圖5 短脈沖進行表面結構化

5雕刻成型

雕刻成型是通過燒蝕材料創造三維形狀。盡管燒蝕的尺寸可能會超過傳統意義上所說的微加工的范疇，但是它所需的精度還是使它被劃分到這類激光應用領域。皮秒激光可以用于加工銑床的多晶金剛石刀具邊緣。激光是加工多晶金剛石的理想工具，多晶金剛石是可以制作銑刀刀刃的極為堅硬的材料。使用雕刻成型技術來加工銑刀的切屑槽和齒，這種情形下激光的好處是非接觸和高加工精度。

總之，微加工具有非常廣闊的應用前景，越來越多的生活用品正通過激光微加工進入我們的視野。