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| 短脉冲光纤激光加工技术 |
| Harry Asonen, Jari Sillanpaa |
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在微加工方面，激光技术结合了高水平的加工质量和工业级别的高速度，这促使激光加工技术成为一项颇具吸引力的技术。
在过去的几年中，光纤激光加工技术已经成为材料加工应用方面最热门的话题，它具有很好的插座能效，尺寸简洁，而且仅需少量维护工作，可靠性高。在大型加工应用中，光纤激光加工已经抢占了灯泵浦Nd:YAG激光器的市场，并且开拓了一些传统激光技术无法实现的新应用。
由于电子产品市场变化很快，微加工工艺成为激光技术应用中快速增长的领域之一，主要的推动力来自手机和平面显示器，尤其是电视机。新产品型号的更换时间之快，使得人们需要一种通用的技术来将电脑设计直接转换成加工制造。印刷工业中发展起来的计算机直接制版技术（CTP）成为未来电子产品加工发展的模型。利用激光打标技术来直接刻画文本和图案已经成为激光技术在工业中的主要应用之一。类似的激光打标技术在印刷电路板（PCB）加工中可被用来增加、除去材料，或者对材料加热。在柔性基底材料上的印刷电子线路可以说是激光技术最适合的应用，因为它们与材料间无需物理接触，使得它们可以被应用到成卷生产中。柔性PCB新生产方法、超精细栅距互连的接合过程、薄膜制图法等等方面都可以利用基于激光的工具加以改进。
连续输出和脉冲输出（毫秒量级）的光纤激光器能够提供精确且局域化的热源，它可被用于低温焊接和微焊接。因此，这项技术与标准的回流焊炉、热焊接和压焊技术相比更具有技术优势。通过进一步提高脉冲的峰值功率就能够达到烧蚀阈值。脉宽在微秒到纳秒范围的短脉冲激光器就能够很好地覆盖这个阈值范围。但是，热传导对于热敏性材料和/或高度集成的机器还是可能带来问题，理想的情况是能够将加工的范围限制在激光光斑范围内。
超短脉冲激光器
脉冲宽度在飞秒以及皮秒范围的超短脉冲激光器（USP），能够将能量很好地限制在激光光斑的附近。当功率密度达到每平方厘米内有几十个GW时，激光加工将实现“冷”烧蚀状态，也就是说，在这种情况下，大部分的材料从激光直射的区域直接蒸发（图1）。这样，在光斑附近可能产生的间接破坏就大大减少了，因为材料蒸发时间短，热量来不及传导。大部分被吸收的能量以动能的形成被烧蚀了的材料带走。不过可惜的是，目前超短脉冲激光器很难在工业生产中得到应用。主要的原因是，平均功率低导致加工速度慢，所以很难与自动化材料处理设备相结合，此外就是激光器体积比较大（专用的激光器都是搭建在光学平台上）。 （图片）
图1.材料加工方法与脉冲激光范围能够同时满足在几十个微米的面积内有合适的光通量，并且平均功率在几十或者几百个瓦特的超短脉冲激光器的研制很难实现。因为在稍大于烧蚀阈值（≤1J/cm2）时，烧蚀的质量最好，所以，激光脉冲能量不能超过10 μJ。这样，提供平均功率的唯一方法就是增加激光的重复频率，大于传统的调Q范围（使用普克尔盒时，该范围≤500kHz）。
超短脉冲激光器的光纤方案
在工业应用中，超短脉冲激光器与连续波操作具有相同的优势，插座效率高，尺寸小，需要的维护少，可靠性高。脉冲能量的限制主要来自光纤本身。单模光纤的中心直径为10-20 μm，这等于许多微加工应用中所选用的光斑尺寸。这样，我们必须在一定范围内操作，使得光纤的非线性效应和吸收不会影响脉冲的特性，仍然保持目标烧蚀时的最佳条件。在实际操作中，很难在“标准”光纤内提高超短脉冲的能量而超过5-10 μJ范围，甚至在皮秒范围也不能实现。在飞秒光纤激光器的情况下，光纤内的脉冲宽度必须先被展宽，然后输出光纤后被压缩，以实现实际的脉冲能量（啁啾脉冲放大，CPA）。
超短脉冲光纤激光器在连续波（CW）的模式下可以实现很高的功率。准连续波（QCW）模式意味着很高的重复频率（≥100 MHz），在这种情况下，材料烧蚀的反应时间要比脉冲之间的间隔要长。所以，激光与材料的相互作用接近CW激光器的情况。超短脉冲光纤激光器的锁模过程在这个重复频率范围内十分简便，提供了最简单的脉冲输出技术。为了优化材料加工时加工速度与质量的关系，必须降低重复频率，因此，可以使用所谓的“脉冲选择”方案，能够将重复频率从百MHz降到MHz范围。目前，对于不同材料来说，非QCW重复频率的最大值尚未得到确定。作为经验法则，重复频率高于1 MHz时，等离子体屏蔽现在开始出现。不过，烧蚀率持续非线性的增加，直到至少10MHz处。频率范围在1-10MHz、脉冲能量为5-10 μJ的超短脉冲光纤激光器提供了很高的平均功率（5-100W）和材料去除率（光斑大小在5-10 μm）。薄膜的制图通常需要很高的扫描速度（1-100 m/s），以便在大规模生产中能更经济。超短脉冲激光器在这些应用中表现出众。
光纤激光器在微加工方面的应用
超短脉冲光纤激光器方案可以解决目前阻碍超短脉冲激光器进入工业应用的许多问题。不过，材料去除效率以及边缘质量还取决于许多其他“非激光”因素。表格把这些因素划分成三类，列出了这些变量，其中只有一类是与激光器本身有关的。这里需要注意，其他“非激光”的有关参数没有列出来。脉冲的叠加量就是一个很好的例子，它既取决于激光参数（重复频率），又取决于“非激光”参数（扫描速度）。表格中所有栏目的参数的优化的组合就决定了最终的工业加工方案。因此，必须从整体上来考虑，从而得到由实际的应用测试而确定的解决方案。不过，若要设计一个能够以最佳方式来加工所有材料和进行所有加工的过程是不可能的。在实际过程中，必须建立一个专用的材料处理系统，专用的光学加工系统，以及专用的超短脉冲激光器。这是说服用户过渡到激光加工的最佳方法。
下面的例子给出了一些常见的应用，在这些应用中，超短脉冲光纤激光器能够为终端的客户加工提供最优化的方案。这些应用还包括光学器件加工和材料装卸自动化过程的优化，这些并不是这篇文章的主要内容。相反的，我们将讨论一些加工过程所需要的激光参数，这些讨论说明，超短脉冲光纤激光平台可以很好地满足这些要求。
薄膜制图
最常见的制图技术是光刻技术，该技术包括了几个步骤，掩膜和化学药品。这个加工过程有一些问题：高投资成本、耗时/多步骤、不灵活，以及环境问题。
不同的激光技术已经被引进到制图过程，通常这个过程被称为激光直接写入。激光技术有望克服那些传统技术存在的问题，激光技术投资成本更低，对工件没有机械压力，也不需要使用化学药品。传统的激光器并没有解决所有相关的问题，因为它们产生了较大的热影响区域（HAZ），这个问题将影响加工质量。使用绿光或者紫外光范围的激光器就能够减轻这个问题，但是并不能够完全避免这个问题。
据证实，使用超短脉冲激光技术，可以使材料的加工质量更好，精度更高，这是因为，当脉冲宽度缩短到了超短范围，热影响区域（HAZ）与冲击波影响区（SAZ）就显著减小，而这两项是影响加工质量的主要因素。然而，加工速度已经成为这些激光器的一个问题。此外，超短脉冲激光器系统复杂、占空间、昂贵、难以操作，因此不适合与生产线相结合。
千赫兹与兆赫兹超短脉冲激光器系统
薄膜制图过程中，尤其困难的是对聚合物上的薄膜进行制图。通常，能够将薄膜除去所需的能量强度（烧蚀阈值）接近或者高于破坏多聚物或者下面几层所需的强度。要实现高质量的微加工就要求能量强度稍高于烧蚀阈值。并且，10-50μm的刻痕就足够产生绝缘，并使得在最后的产品中有更小的特征参数。图2给出了千赫兹与兆赫兹激光器运行时主要参数的区别。在这个图示中，（每秒钟）同样数量的材料被烧蚀掉，但只有兆赫兹激光能够有10-50μm的光斑，可以来进行高质量的微加工。为了得到最佳的光通量，与激光a相比，激光b就必须有10倍大的光斑。千赫兹速率的超短脉冲激光也可以有更小的光斑和更低的脉冲能量。但是这样，总的平均功率和加工速度就下降了。（图片）
图2. 以兆赫兹和千赫兹进行材料加工，
两者都具有10W的平均功率材料加工实例
不同类型的金属或者金属氧化物薄膜可以被用于电子业和半导体工业。例如，Corelase公司进行了一系列的测试来表明，在多聚物上的薄膜加工，其质量和性能得到了提高，并且不会影响到多聚物本身。测试过程使用了Corelase X-LASE 皮秒脉冲激光与扫描光学元件相结合的设备。在这些测试中，一系列不同大小的刻痕或图案被加工在不同的薄膜上，这些薄膜包括了氧化铟锡（ITO）、氧化锡（SnO）、镍膜（Ni）和铝膜（Al），这些材料在平板显示器及太阳能电池工业中都很常见。
ITO薄膜的加工如图3，厚度为20nm的ITO层上划了一条20μm的刻槽，加工参数0.55W@2MHz。加工过程没有对底下的多聚物层带来任何的损坏。（图片）
图3. 在ITO上加工的20 μm的刻槽SnO薄膜加工如图4所示，在厚度为600nm的SnO薄膜上划有两条12 μm刻槽，加工参数为2W@2MHz。这项加工对底下的多聚物层，没有任何的损坏。（图片）
图4. 在SnO上加工的两条12μm刻槽图5中给出了加工了的Ni薄膜，上面有两条30μm的刻槽，Ni层厚度为20nm，加工参数为0.8W@2MHz。加工过程没有给下面的多聚物带来任何损坏。（图片）
图5. 在镍膜上加工的两条30μm的刻槽图6中给出了加工了的Al薄膜，上面有两条30μm的刻槽，Al层厚度为100nm，加工参数为3W@2MHz。同样的，加工过程没有给下面的多聚物带来任何损坏。（图片）
图6 在铝膜加工的两条30μm刻槽结论
由于电子消费品市场瞬息万变，微加工可称为激光技术应用中进步最快的领域。薄膜制图就是这些应用中的典型例子。重复频率为兆赫兹的皮秒光纤激光器很适合于进行薄膜的加工。加工质量高，加工速度快（达到工业生产的高级别标准），使得激光技术成为一项颇具吸引力的工业技术。
Jari Sillanpaa (jari.sillanpaa@corelase.fi) 和Harry Asonen (harry.asonen@corelase.fi)来自于芬兰坦佩雷的Corelase公司。
2/3/2008
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