作者：Barbara Stump

在微加工領(lǐng)域，短脈沖、尤其是超短脈沖激光器正在取代傳統(tǒng)的加工方法。對于超短脈沖激光器，得益于其冷燒蝕特性，因此其對所要加工的材料幾乎沒有任何限制。

在冷燒蝕過程中，材料的去除本質(zhì)上只能通過化學(xué)鍵斷裂來實現(xiàn)，因此其產(chǎn)生的熱影響僅限于幾微米的區(qū)域，并且相應(yīng)的變形也最小。不幸的是，超短脈沖激光器的燒蝕速率仍然非常低，進(jìn)而限制了其在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

金屬材料的燒蝕閾值在0.2J/cm²的范圍內(nèi)，而玻璃和陶瓷的燒蝕閾值則在幾個J/cm²的范圍內(nèi)。為了提高去除速率，可以使用具有較大聚焦口徑的高脈沖能量，以在更大的區(qū)域內(nèi)工作。在諸如玻璃或聚合物等透明材料加工應(yīng)用中，可通過非線性效應(yīng)（如多光子過程）來提高去除速率。此外，也可以提高重復(fù)頻率。重復(fù)頻率可以從100kHz到幾兆赫茲，目前正在進(jìn)行重復(fù)頻率超過10MHz的研究。

盡管傳統(tǒng)的光纖激光器已經(jīng)在工業(yè)環(huán)境中植根多年，但是飛秒光纖激光器在市場上仍然屬于新事物。德國耶拿大學(xué)的Jens Limpert博士使用的超快光纖激光器，平均功率接近1kW，峰值功率在GW量級，重復(fù)頻率在kHz到MHz的范圍內(nèi)。雖然超快光纖激光器已經(jīng)能夠達(dá)到上述較高的性能，但是其仍然具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

除了單脈沖之外，另一種提高燒蝕速度的方式是采用所謂的脈沖猝發(fā)（burst）。以50MHz的脈沖序列為例，重復(fù)頻率為500kHz的脈沖被提取出來并被放大。

“燒蝕效果與脈沖能量成對數(shù)關(guān)系。通過這種方式，可以將相同的總能量分配到幾個脈沖中，然后通過脈沖疊加來達(dá)到更高的去除量。”Lumera Laser公司的Dirk Müller介紹說。實驗已經(jīng)證明5~10個脈沖的脈沖猝發(fā)是有效的，并且約為20ns的脈沖間隔也已被證明是有效的。然而，最終獲得的去除質(zhì)量在很大程度上依賴于所要處理的材料。

微結(jié)構(gòu)的高效生產(chǎn)

在微加工領(lǐng)域享有盛名的方法包括EDM（放電加工）、微模壓加工和光刻技術(shù)。EDM只適用于導(dǎo)電材料，并且速度緩慢；沖壓模的制造成本較高；而光刻則需要高精密掩模，并且后續(xù)的刻蝕過程還對環(huán)境有很大的污染。相比之下，激光冷燒蝕加工不但能夠?qū)崿F(xiàn)與上述方法類似的加工精度，而且更具成本效益，同時也非常環(huán)保。最精細(xì)結(jié)構(gòu)的沖壓使得金屬板材的加工更加容易，金屬板材結(jié)構(gòu)由模壓輥制成。德國夫瑯和費(fèi)激光技術(shù)研究所（Fraunhofer-ILT）已經(jīng)利用功率為100W、重復(fù)頻率為3MHz的皮秒激光器，獲得了最佳的精細(xì)結(jié)構(gòu)加工效果。

“在整個激光微加工過程中，CAD數(shù)據(jù)得到了精確的再現(xiàn)，沒有熔化物飛濺以及其他廢棄物，并且表面粗糙度小于0.5μm。”Fraunhofer-ILT燒蝕與焊接部門主管Arnold Gillner博士說（見圖1和圖2）。為了獲得更好的加工效果，脈沖之間必須有10％~15％的重合，兩條脈沖的刻線間則必須有10％的重合。

圖1：由超快脈沖激光器加工的一個工具的局部圖。

圖2：用于LED照明的導(dǎo)光結(jié)構(gòu)。用于部件注塑成型所使用的工具是通過超短脈沖激光器加工而成的。

由于具備冷燒蝕特性，因此超快激光也可以用于加工塑料。幾乎生產(chǎn)有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）的所有加工設(shè)備都是獨(dú)一無二的。由于有機(jī)光伏電池（OPV）和OLED的制造工藝相似，德國夫瑯和費(fèi)光子微系統(tǒng)研究（Fraunhofer-IMPS）的工程師們已經(jīng)開發(fā)出了用于OLED和OPVs的Gen2試驗性生產(chǎn)線。OLED的層系統(tǒng)是通過OVPD（有機(jī)氣相沉積）或者VTE（真空熱蒸發(fā)）技術(shù)，在塑料薄膜上沉積ITO（銦錫氧化物）層形成的。對于這樣的微型結(jié)構(gòu)制造，使用激光器是最理想的選擇，因為它們的工作速度快，并且安裝時間可以忽略不計。

“這種無需光刻技術(shù)的加工過程提供了與光刻工藝相同的優(yōu)良質(zhì)量，而且由于其在部署和成本方面的優(yōu)勢，因此這種方法更加靈活。”Fraunhofer-IMPS的Christian May博士說。

德國3D-Micromac公司也針對相同的問題展開了工作。該公司已經(jīng)開發(fā)出了一種模塊化系統(tǒng)，其能夠在普通的環(huán)境條件下，利用卷對卷制程實現(xiàn)有機(jī)、可彎曲的太陽能電池和OLED的全自動化生產(chǎn)（見圖3）。

圖3：由超短脈沖激光加工的有機(jī)太陽能電池的膜層。

利用超短脈沖激光器進(jìn)行卷對卷激光微加工的另一個應(yīng)用領(lǐng)域是汽車玻璃。由于汽車的車窗越來越大，在日光照射下車內(nèi)會越來越熱，而汽車玻璃的膜層則會形成法拉第籠，對通訊有屏蔽作用。為了改善這種情況，必須在不影響“美觀”的前提下去除部分膜層。

“皮秒激光可以在薄膜的背面工作，并且光束能在不破壞基底的情況下通過它。”3D-Micromac公司的Christian Scholz報道說。目前該項目尚處于仿真階段。

對于工業(yè)生產(chǎn)，與可能的掃描速度相比，去除速率不是個大問題。為了實現(xiàn)高效生產(chǎn)，需要達(dá)到約200m/s和更高的掃描速度。采用相控陣偏轉(zhuǎn)器可以滿足速度要求，能夠獲得超過500m/s的速度，但是目前這些系統(tǒng)仍處于研發(fā)階段，尚且不適合工業(yè)應(yīng)用。

另一種解決速度緩慢問題的方式是讓幾部分光束并行工作。用于分光的衍射光學(xué)元件僅僅操縱光束的光學(xué)相位，并且具有非常大的透射率。這些光學(xué)元件由石英玻璃制成，生產(chǎn)成本較低，這一點(diǎn)也要?dú)w功于超短脈沖激光的冷燒蝕特性。

另一種制造周期性納米結(jié)構(gòu)的方法是使用干涉。這意味著所有的材料都可以通過這種方法加工，包括疊加一個短波長超短脈沖激光的幾部分光束，從而產(chǎn)生具有高分辨率的干涉圖樣（見圖4）。

圖4：疊加一個短波長超短脈沖激光的幾部分光束，產(chǎn)生高分辨率的干涉圖樣。

“實驗已經(jīng)證明了這種方法的可靠性，目前我們正在改進(jìn)這種方法以滿足工業(yè)應(yīng)用的需求。”Laser-Laboratorium Göttingen e.V的Peter Simon博士說。

激光燒蝕法切割

利用傳統(tǒng)的激光器切割金屬箔，必須采用氣體噴嘴來吹出熔化物，并且需要專門的輪廓匹配的切割工具。除了工具方面的成本外，用于熔化金屬的氣體流動還能夠引起金屬箔變形，相對較高的能量輸入也會使金屬箔彎曲，并且會在切割邊緣形成脊?fàn)钔黄�。利用短脈沖激光器切割金屬箔，其激光束多次經(jīng)過切割路徑，逐漸作用于被切割的材料上。另外，在工件的固定方面，只需要將金屬箔吸附在穿孔的板上就足以固定金屬箔了。

“利用短脈沖激光切割的唯一限制就是工作區(qū)域較小、定位精度較低，這依賴于聚焦位置和掃描裝置的校準(zhǔn)。”Günter-Köhler-Institut Jena的Daniel Hubert指出。對于厚度超過100μm的膜層，該過程由于需要較長的加工時間而降低了經(jīng)濟(jì)實用性。

超短脈沖激光器具有小而窄的聚焦點(diǎn)，可用于切割小于20μm的寬度。利用激光器切割芯片可以獲得高得多的封裝密度，使得它與傳統(tǒng)技術(shù)相比，有可能在每個晶圓上獲得大約兩倍數(shù)量的芯片。皮秒激光也給支架切割帶來了利好。與傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝相比，皮秒激光不但能節(jié)省昂貴的材料和涂飾費(fèi)用，并且還減少了浪費(fèi)。超短脈沖激光已經(jīng)可以成功地切割硅晶圓，這使得獲得更輕更薄的晶圓成為可能。

有了這些短脈沖和超短脈沖激光器，使得激光加工幾乎對材料已經(jīng)沒有任何限制，并且能夠獲得最高的加工精度。未來，超短脈沖潛在的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，從生物組織到材料堆棧和復(fù)合材料的加工，尤其是加工CFRP（碳纖維增強(qiáng)塑料）這種不容易處理的材料。在激光微加工研究方面，德國3D-Micromac公司是一家積極的推進(jìn)者。2010年，該公司曾邀請了微加工領(lǐng)域的專家們參加其舉辦的“第三屆激光微加工國際研討會”，與業(yè)內(nèi)同人共同分享激光微加工的最新進(jìn)展（見圖5）。為了展示近期內(nèi)業(yè)界在激光微加工領(lǐng)域所取得的新成果，該公司表示下屆大會將于2012年舉辦。

圖5：德國3D-Micromac公司舉辦的“ISL 2010激光微加工國際研討會”現(xiàn)場。