飛秒激光深孔加工技術(shù)研究

1、飛秒激光深孔加工技術(shù)研究        本文采用聚焦物鏡與接收材料同步運(yùn)動的方法，以二維平面圖形式研究焦點(diǎn)前后脈沖的空間形態(tài)。通過改變小孔直徑和小孔前后單脈沖能量，可以觀察光束空間形態(tài)的變化。結(jié)果顯示：脈沖能量大小只影響刻痕線寬大??；縮小掩模小孔直徑時，焦點(diǎn)前后光束空間直徑變化趨緩，甚至束腰位置也隨之偏移。    飛秒激光開始應(yīng)用到微納加工領(lǐng)域始于20世紀(jì)90年代初。正是由于飛秒激光具有持續(xù)時間短及高脈沖功率密度的特性，使得其與物質(zhì)相互作用時具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：確定的燒蝕閾值，規(guī)則的加

2、工邊緣，層層微加工以及可加工任何材料等。最近研究結(jié)果表明：飛秒激光微細(xì)加工在微光學(xué)、微電子、微機(jī)械、微生物、微醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。不同學(xué)科、不同實(shí)驗(yàn)具有不同的具體要求，這就需要采取相應(yīng)的加工手段來實(shí)現(xiàn)特定加工目的，囚此飛秒激光深孔加工技術(shù)等加工工藝開始引起越來越多研究者的重視。    激光整形技術(shù)是指在激光腔內(nèi)或腔外采用光學(xué)元件改變光束形態(tài)實(shí)現(xiàn)光束整形。飛秒激光脈沖整形有別于傳統(tǒng)整形概念，主要是在保留原有高峰值功率特性基礎(chǔ)上，在光路中引人擴(kuò)束器、濾波器以及衍射模板等光學(xué)器件，達(dá)到縮小聚焦尺寸、去除高斯光束周圍熒光成分、減少脈沖形變及多種形狀加工等目的

3、。常用的是空間濾波和掩模控制技術(shù)。空間濾波是實(shí)現(xiàn)對光束邊緣熒光的屏蔽效用，實(shí)現(xiàn)聚集點(diǎn)光學(xué)質(zhì)量的改善，掩?？刂剖峭ㄟ^掩模形狀來實(shí)現(xiàn)對脈沖的調(diào)制，以達(dá)到確定的加工目的。    本文采用聚焦物鏡與接收材料同步運(yùn)動的方法，可以很容易地將焦點(diǎn)前后脈沖的空間形態(tài)在材料表面以二維平面圖形式表示出來。在聚焦物鏡前加小孔掩模板，通過小孔直徑及小孔前后脈沖能量的變化，可直觀觀察到光束空間形態(tài)的改變。最后，實(shí)驗(yàn)選取合適參數(shù)，成功刻劃出邊緣光滑的透射型金屬光柵。1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法    實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用的是Clark公司飛秒激光加工工作臺(UMW-2110i，C

4、lark-MXR Inc.)。激光具體參數(shù)為：中心波長775nm，脈寬148 Fs，重復(fù)頻率1kHz，最大單脈沖能量1mJ，在光路上加衰減片可以調(diào)整脈沖能量，聚焦前光斑直徑5mm；掩模小孔直徑可調(diào)范圍為0.510mm；接收材料為噴濺法鍍在溶石英基片上的金膜(厚度約為300nm)。飛秒激光經(jīng)掩模小孔后由5×顯微物鏡(有效焦距為40 mm)聚焦金膜表面。采用物鏡與接收平臺同步運(yùn)動的方法，將焦點(diǎn)前后脈沖的空間形態(tài)以二維平面圖形式在金膜表面顯示出來；加工結(jié)果采用透射式光學(xué)顯微鏡和SEM進(jìn)行分析測試。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖    物鏡由平臺承載做

5、軸向(Z軸)移動，材料由X-Y軸承載，同步運(yùn)行Z軸和X軸就能夠?qū)⒔裹c(diǎn)附近軸向范圍內(nèi)達(dá)到材料閾值的長度在金膜上記錄下來，焦點(diǎn)位置是從材料表面之上移到材料內(nèi)部，與此相對應(yīng)，圖像中是由右到左。結(jié)果可以和瑞利長度相比較進(jìn)行分析。2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析    通常的，如果知道激光中心波長，透鏡的焦距f和入射光在透鏡前表面處的束腰半徑，就可以得到瑞利長度ZR，瑞利長度的表達(dá)式為：式中：0=0f/，為焦點(diǎn)處束腰半徑。由于實(shí)驗(yàn)采用的是物鏡，從有效工作距離較難推出真正的束腰半徑，實(shí)驗(yàn)中0采用刀口法測量了焦點(diǎn)處束腰半徑值為11.5m，所以5×顯微物鏡瑞利長度約為0.54mm。&#

6、160;   而焦點(diǎn)附近軸向范圍內(nèi)光束半徑（z）的變化是與瑞利長度和焦點(diǎn)處束腰半徑有關(guān)的函數(shù)，如圖2所示，其表達(dá)式為：圖2 光束束腰半徑(z)在焦點(diǎn)附近隨傳輸方向變化示意圖    實(shí)驗(yàn)通過改變圖1中針孔直徑大小，觀察焦點(diǎn)附近光軸方向所能實(shí)現(xiàn)燒蝕區(qū)域的變化情況，分別采用保持針孔前和針孔后脈沖能量不變的兩種情形，在金膜表面記錄下焦點(diǎn)附近光束傳輸形態(tài)。圖3為上述兩種情形下顯微圖像。其中，Z軸和X軸運(yùn)行速度均為0.3mm/s，單脈沖能量在小孔前后分別為91.7J，Z軸和X軸行程均為600m，圖中由上至下針孔直徑依次為、4mm、3mm、2 mm。

7、0;   從圖3(a)可以看出，不加針孔(開孔)時，燒蝕區(qū)域在焦點(diǎn)附近基本為對稱分布，且偏離焦點(diǎn)位置時，燒蝕線寬迅速增加，成紡錐型分布。隨著小孔加入，通光尺寸變小，燒蝕區(qū)域線性尺度逐漸降低，聚焦點(diǎn)位置與兩翼燒蝕線寬差異明顯減少，甚至有遠(yuǎn)離透鏡跡象(見針孔直徑為2mm的情況)。改變脈沖能量而保證小孔后的能量一致，燒蝕現(xiàn)象沒有明硅差異(見圖3(b)，只是燒蝕線寬有所加大。上述現(xiàn)象通過式(1)和(2)可以很好的解釋：加入小孔后，由于孔徑的限制，使得照射到透鏡表面束腰半徑減小，造成焦點(diǎn)處的束腰半徑0有所增加，瑞利長度ZR變大，因而在式(2)中，焦點(diǎn)附近束腰半徑(z)隨z的變化比不加

8、小孔時減弱，宏觀上就得到了圖3中比較平緩的加工結(jié)果。圖3 光束刻痕與針孔直徑變化關(guān)系圖    圖4和圖5分別給出了開孔以及小孔直徑分別為4mm、3mm、2mm時不同脈沖能量下(小孔前測得)焦點(diǎn)附近燒蝕形態(tài)的變化，Z、X軸行程仍為600m。隨著小孔直徑的減小，透過小孔后的脈沖能量將會低于材料燒蝕閾值。因此，在圖5(a)和圖5(b)中只有4條燒蝕痕跡，甚至圖5(c)中只存在3條燒蝕線。    從圖4和圖5中可以看出，單脈沖能鼉較低時，不管是開孔還是一定針孔作用下焦點(diǎn)附近脈沖形狀不存在明顯紡錐型分布，但加針孔后焦點(diǎn)附近光束半徑變化還是舒緩了

9、很多，較利于進(jìn)一步做深加工與切割方面的研究；隨著針孔直徑的降低，能夠?qū)崿F(xiàn)燒蝕的區(qū)域在明顯減小(小于瑞利長度)，這主要是針孔限制了大部分能量到達(dá)材料表面；小孔直徑為4mm時，脈沖傳輸形狀受激光能量的影響相對較小；與圖3類似，實(shí)驗(yàn)另一個現(xiàn)象就是隨著針孔孔徑的減小，聚焦區(qū)域的最小束腰半徑處向靠近透鏡方向移動，這一點(diǎn)可以用聚焦束腰半徑與聚焦前束腰與透鏡前表面距離的變化關(guān)系來很好解釋。圖4 開孔時光束刻痕隨脈沖能量變化關(guān)系圖圖5 光束刻痕隨脈沖能量變化關(guān)系圖    利用上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)采用開孔與針孔直徑為4mm(單脈沖能量為90J)兩種情況分別對金膜和不銹鋼板進(jìn)行打孔加工，得到的圖像如圖610所示。圖6 金膜表面加針孔（D=4mm）時在表面刻劃的環(huán)形圖案圖7 金膜表面開孔時在表面刻劃的環(huán)形圖案圖8 不銹鋼表面加針孔時深孔刻劃圖9 不銹鋼表面開孔時深孔刻劃圖10 飛秒激光在銅箔表面的投射條紋刻劃    圖6、8與圖7、9比較可知：采用加小孔后使得焦點(diǎn)附近激光束腰半徑或激光痕跡變化舒緩特性加工出的結(jié)果燒蝕邊界更加清晰、無裂痕。圖10給出的是在銅箔表面刻劃的邊緣相對光滑兩條光柵條紋。這一技術(shù)利于飛秒激光進(jìn)行高縱深比深孔微器件加工應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步應(yīng)用研究工作正在進(jìn)行中。3 結(jié)束語&