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超短脉冲激光微纳加工技术介绍

发布时间:2020-04-27 来源:元禄光电

随着激光技术的发展,季期间想着超短脉冲、超强高度、超短波长的方向迈进,这给激光材料加工带来了革命性的进步。近年来超短脉冲精密加工越来越得到人们的关注。这主要体现在超短脉冲激光加工可以得到高于长脉冲激光加工的精度,最高可以达到亚微米甚至纳米级别。另外超短脉冲激光除了可以进行材料表面的加工,还能够实现对透明材料内部的加工与改性。适用于其他加工方法无法实现的高精度、复杂形状元器件的加工,实现真三维、可设计、可集成。超短脉冲激光的瞬间功率极大,可以喝几乎任何材料相互作用,因而可用于激光加工的材料几乎不受限制。对于超硬、易碎、高熔点、易爆炸等材料的加工,更具有其他方法无法匹配的优势。

 

这里的超短脉冲激光微细加工技术指的是利用超短脉冲激光(脉冲宽度在皮秒至飞秒量级,10-12~10-15s)对材料的显微加工、精密裁切以及微观改性。这里的3个属于定义如下:显微加工指的是对样品材料的精密去除;精密裁切值得是利用激光将样品材料裁切成微纳尺度的特征形状;微观改性指的是利用激光改变样品材料特定微观区域的物理化学性能。这3个属于既相互独立又紧密相连,有时在微观改性的同时也伴随着样品材料的精密去除,而显微加工是精密裁切的基础。我们把上述术语统称为超短脉冲激光微纳加工。

 

超短脉冲激光微纳加工分类

从材料的性能变化来说,超短脉冲激光微纳加工可以分为表面形貌、折射率、离子价态、相态、缺陷态、晶态、化学键以及能带结构等的修饰与调控。在超短脉冲激光加工过程中,有时是单一的性能锈蚀,有时是多项性能的修饰同时发生。举例说明。

 

1为超短脉冲激光诱导的6中材料性能转变。(a)为在金属表面形成的亚波长周期结构。其周期从入射激光波长尺度到入射波长的1/10,为制备纳米尺度周期结构提供了一种全新的途径。(b)为波导结构。超短脉冲激光可以在透明材料内部诱导折射率改变,写入二维、三维的波导结构及器件,如分束器、衍射光栅、整列波导光栅、波导激光器等。(c)为在晶体内部的诱导的缺陷结构,即色心。在诸如半导体、发光信息存储、色心激光等技术领域有着广发的应用。(d)为离子价态变化。在金属离子或稀土离子掺杂的玻璃内部,是的掺杂离子的价态发生改变,诱导出具有特殊功能的符合材料,实现特定的线性、非线性光学性能。(e)为静态变化。超短脉冲激光的辐照非晶态的玻璃材料可以在辐照区域析出晶体相,或者超短脉冲激光辐照晶体材料,在激光辐照区域可以从一种晶态向另一种晶态转化,为制备不同晶态的集成器件提供新途径。(f)为半导体带隙变化。通过超短脉冲激光半导体硅,改变其能带结构。经处理的硅具有吸收光谱宽以及光谱响应速度快的特点,在太阳能电池以及光电探测器方面具有极大的应用前景。

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1超短脉冲激光微纳加工距离

 

超短脉冲激光微纳加工应用领域

中央“十二五”规划提出了加快培育和发展战略性新兴产业的建议,大力发展节能环保、新兴新兴产业、生物产业、新能源、新能源汽车、高端装备制造业和七大战略性新兴产业。这为激光现金制造技术提供了前所未有的发展机遇。在这七大斩六新兴产业中,超短脉冲激光微纳加工都能发挥用武之地而且是某些环节的必须技术。

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2超短脉冲激光微纳加工应用领域

 

目前,超短脉冲激光微纳加工主要应用在如图2所示的领域。这里举例几个应用实例:(1)太阳能电池(包括晶硅以及薄膜电池)的钻孔、刻线、划槽以及表面纹理化,通过超短脉冲激光埋栅刻槽及掺杂处理后,电池的光电转换效率有望得到2%左右的提升;(2)计算机、手机、电视等CSTNTPLCD液晶显示模块中的超薄玻璃基板的划线分割。传统方法采用金刚石切割,成品率低,刀具寿命短。超短脉冲激光的非接触肺热加工模式则可以克服上述缺点,是取代传统金刚石切割,进行产业更新换代的理想技术;(3)医疗行业。目前常用于制作血管支架的材料有金属钽、医用不锈钢及镍钛合金等。金属支架在进入临床治疗后取得了令人瞩目的疗效,但近年也逐渐暴露出一些不足和弊病,如易至血栓形成,再狭窄率高,造成血管壁损伤以及永久保留体内等。针对以上不足,可降解生物材料的血管支架成为研究的热点,对可降解材料的加工是决定该类支架材料应用的关键问题。为了保证加工后的材料性能不便,对加工技术提出了更高的要求。超短脉冲激光微纳加工可降解生物材料具有独到的优势;(4)精密机械、医疗、光学元器件加工。适用于一些机械加工方法无法实现的高精度、复杂形状元器件的加工,如发动机喷嘴、打拿极、太赫兹光源偏正片等;(5)透明材料内部的维纳改性。对玻璃、晶体、高分子材料内部实现微纳改性,赋予改性区域新的功能。适用于制备波导类光子学微器件、三维立体显示、三维工艺品等;(6)微电子学。薄膜的局部沉积及去除,即激光修整、激光光刻、激光微机械加工,以及局部掺杂等。图3进一步阐述了图2中超短脉冲激光的应用领域。

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a)为晶硅太阳能电池的埋栅刻槽与激光掺杂;(b)为激光刻划有机薄膜太阳能电池;(c)为超短脉冲激光对聚合物材料进行双光子聚合制备微光机电器件;(d)为飞秒激光辅助眼科手术;(e)为皮秒激光刻蚀柔性印刷电路板的聚合物导电层;(f)为皮秒激光隐性切割LED衬底材料。

3 超短脉冲激光微细加工应用领域举例

 

超短脉冲激光微纳加工市场展望

相对于传统的激光打标、激光焊接、激光切割等,超短卖场激光精密微细加工还属于新兴的试产,美国Raydiance公司预测在10年内,超短脉冲激光技术将拥有超过1000亿美元的市场,其中医学和声明科学占50%、材料开发和制造行业占25%。也就是说在材料加工、制造行业,未来10年内超短短脉冲激光技术在全球将会有超过250亿美元的市场。

 

随着超短脉冲激光器件趋向更为成熟的工业应用,超短脉冲激光微纳加工技术将开拓更为广阔的应用领域,成为诸多行业不可或缺的利器,为科技造福、为社会创造更美好的明天。

 

推荐设备:飞秒激光切割机

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