作者：Barbara Stump

在微加工領域，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，材料的去除本質上只能通過化學鍵斷裂來實現，因此其產生的熱影響僅限于幾微米的區(qū)域，并且相應的變形也最小。不幸的是，超短脈沖激光器的燒蝕速率仍然非常低，進而限制了其在工業(yè)領域的廣泛應用。

金屬材料的燒蝕閾值在0.2J/cm²的范圍內，而玻璃和陶瓷的燒蝕閾值則在幾個J/cm²的范圍內。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)域內工作。在諸如玻璃或聚合物等透明材料加工應用中，可通過非線性效應（如多光子過程）來提高去除速率。此外，也可以提高重復頻率。重復頻率可以從100kHz到幾兆赫茲，目前正在進行重復頻率超過10MHz的研究。

盡管傳統(tǒng)的光纖激光器已經在工業(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，重復頻率在kHz到MHz的范圍內。雖然超快光纖激光器已經能夠達到上述較高的性能，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關系。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到更高的去除量。”Lumera Laser公司的Dirk Müller介紹說。實驗已經證明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，最終獲得的去除質量在很大程度上依賴于所要處理的材料。

微結構的高效生產

在微加工領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。EDM只適用于導電材料，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實現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。最精細結構的沖壓使得金屬板材的加工更加容易，金屬板材結構由模壓輥制成。德國夫瑯和費激光技術研究所（Fraunhofer-ILT）已經利用功率為100W、重復頻率為3MHz的皮秒激光器，獲得了最佳的精細結構加工效果。

“在整個激光微加工過程中，CAD數據得到了精確的再現，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照明的導光結構。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。幾乎生產有機發(fā)光二極管（OLED）的所有加工設備都是獨一無二的。由于有機光伏電池（OPV）和OLED的制造工藝相似，德國夫瑯和費光子微系統(tǒng)研究（Fraunhofer-IMPS）的工程師們已經開發(fā)出了用于OLED和OPVs的Gen2試驗性生產線。OLED的層系統(tǒng)是通過OVPD（有機氣相沉積）或者VTE（真空熱蒸發(fā)）技術，在塑料薄膜上沉積ITO（銦錫氧化物）層形成的。對于這樣的微型結構制造，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。

“這種無需光刻技術的加工過程提供了與光刻工藝相同的優(yōu)良質量，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有機、可彎曲的太陽能電池和OLED的全自動化生產（見圖3）。

圖3：由超短脈沖激光加工的有機太陽能電池的膜層。

利用超短脈沖激光器進行卷對卷激光微加工的另一個應用領域是汽車玻璃。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，與可能的掃描速度相比，去除速率不是個大問題。為了實現高效生產，需要達到約200m/s和更高的掃描速度。采用相控陣偏轉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元件僅僅操縱光束的光學相位，并且具有非常大的透射率。這些光學元件由石英玻璃制成，生產成本較低，這一點也要歸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構的方法是使用干涉。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，產生高分辨率的干涉圖樣。

“實驗已經證明了這種方法的可靠性，目前我們正在改進這種方法以滿足工業(yè)應用的需求。”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狀突起。利用短脈沖激光器切割金屬箔，其激光束多次經過切割路徑，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。”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濟實用性。

超短脈沖激光器具有小而窄的聚焦點，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)技術相比，有可能在每個晶圓上獲得大約兩倍數量的芯片。皮秒激光也給支架切割帶來了利好。與傳統(tǒng)的生產工藝相比，皮秒激光不但能節(jié)省昂貴的材料和涂飾費用，并且還減少了浪費。超短脈沖激光已經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，超短脈沖潛在的應用領域非常廣泛，從生物組織到材料堆棧和復合材料的加工，尤其是加工CFRP（碳纖維增強塑料）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者。2010年，該公司曾邀請了微加工領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)內同人共同分享激光微加工的最新進展（見圖5）。為了展示近期內業(yè)界在激光微加工領域所取得的新成果，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”現場。